Электропитание ЭВМ

Министерство образования и науки Российской Федерации 

 

Федеральное государственное бюджетное образовательное 

учреждение высшего профессионального образования 
 
ТОМСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ  СИСТЕМ 
УПРАВЛЕНИЯ  И  РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ 
 
Кафедра промышленной электроники 
 
 
 
Б.И. Коновалов 
 
                                                                                      
 
 
ЭЛЕКТРОПИТАНИЕ ЭВМ 
 
 
 
 
 
Учебное пособие  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
2015 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Коновалов Б.И. 
Электропитание ЭВМ: Учебное пособие. — Томск: Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, 2015. — 177 с. 
 
 
Учебное пособие соответствует рабочей программе дисциплины 
«Электропитание ЭВМ» для студентов направления 11.04.04 — Электроника и наноэлектроника, магистерские программы «Промышленная электроника и микропроцессорная техника» и «Электронные приборы и устройства сбора, обработки и отображения информации». 
Содержит материал, раскрывающий назначение и взаимовлияние 
функциональных узлов источников вторичного электропитания, особенности их схемотехники, возможности обеспечения заданного качества выходной электроэнергии, возможности уменьшения влияния на питающую сеть. 
Изложение материала базируется на том, что студенты усвоили такие 
дисциплины, как «Основы преобразовательной техники», «Энергетическая 
электроника», «Магнитные элементы электронных устройств». 
Предназначено для студентов направления 11.04.04 — Электроника 
и наноэлектроника очной формы обучения. 
 
 
 
 
 
                                                 © Коновалов Б.И., 2015 
                                                                         © ТУСУР, 2015 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 

1 Введение............................................................................................4 

2 Повышение надежности электроснабжения...........................18 
2.1 Характеристика средств повышения надежности 
электроснабжения.....................................................................18 
2.2 Аккумуляторы и их характеристики.......................................24 
2.3 Источники бесперебойного питания с выходом                                    
на постоянном токе...................................................................37 
2.4 Источники бесперебойного питания с выходом 

на переменном токе ..................................................................44 

3 Построение источников вторичного электропитания 
(ИВЭП)............................................................................................94 
3.1 ИВЭП непрерывного действия ................................................94 
3.2 Стабилизаторы постоянного напряжения ключевого                           
типа (DC/DC-преобразователи)............................................ 111 
3.3 ИВЭП с бестрансформаторным входом .............................. 130 
3.4 Многоканальные ИВЭП ........................................................ 149 

4 Обеспечение электромагнитной совместимости................. 157 

5 Заключение ................................................................................. 175 

6 Литература .................................................................................. 176 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1 ВВЕДЕНИЕ 
 
Электропитание радиоэлектронной и электронно-вычисли
тельной, или просто электронной аппаратуры (ЭА) осуществляется средствами вторичного электропитания, которые подключаются к источникам первичного электропитания, преобразуют их 
переменное или постоянное напряжение в ряд выходных напряжений различных номиналов как постоянного, так и переменного 
тока с характеристиками, обеспечивающими нормальную работу 
ЭА в заданных режимах. Для выполнения этих задач в состав 
средств вторичного электропитания входят как сами источники 
питания, так и ряд дополнительных устройств, обеспечивающих 
их работу в составе комплекса ЭА. 

Ниже на рис. 1.1 приведена структурная схема классифика
ции средств вторичного электропитания, на которой показаны 
входящие составные части: системы вторичного электропитания;   

 

 
 

Рис. 1.1 

источники вторичного электропитания; блоки управления, распределения и сигнализации и входящие в них функциональные 
узлы. Здесь также показаны (пунктирной линией) источники 
входной электроэнергии переменного и постоянного тока, которые хотя и не входят в состав средств вторичного электропитания, но их характеристики оказывают существенное влияние на 
структуру построения системы вторичного электропитания и 
расчет ее составных частей. 

При классификации средств вторичного электропитания ис
пользованы термины, наиболее часто встречающиеся в научнотехнической литературе. 

Средства вторичного электропитания — составная часть 

любой электронной аппаратуры, которая входит в нее и, используя энергию от систем энергоснабжения промышленной частоты 
или автономных источников питания, формирует необходимые 
для работы комплекса ЭА питающие напряжения с требуемыми 
параметрами. 

Система вторичного электропитания — совокупность функ
ционально связанных источников вторичного электропитания, 
устройств управления, коммутации, распределения, защиты, контроля и сигнализации, предназначенная для подключения к системам или автономным источникам энергоснабжения и обеспечивающая по заданной программе электропитанием все цепи 
электронной аппаратуры. 

Источники вторичного электропитания (ИВЭП) состав
ляют основу всех средств и систем электропитания ЭА. Это устройства, предназначенные для преобразования входной электроэнергии переменного или постоянного тока и обеспечения электропитанием отдельных цепей электронной аппаратуры. Они могут состоять из блоков питания или комплекта функциональных 
узлов (субблоков); в свою очередь, в состав блока питания входит 
ряд функциональных узлов различного назначения. 

Блок вторичного электропитания (блок питания) — ис
точник вторичного электропитания, выполненный в виде единой 
конструкции. 

Комплект функциональных узлов — источник вторично
го электропитания, состоящий из двух и более функциональных 

узлов, встраиваемых непосредственно в электронную аппаратуру, 
но не объединенных в единую конструкцию. 

Функциональные узлы источников вторичного электропи
тания — устройства, выполняющие одну или несколько определенных электрических функций (выпрямление, фильтрацию, стабилизацию и др.) в составе ИВЭП или системы вторичного электропитания. Функциональные узлы ИВЭП характеризуются рядом признаков: условиями эксплуатации, выполняемыми функциями, входными и выходными параметрами, элементной базой. 

Значительное влияние на структуру построения ИВЭП ока
зывают параметры источников первичного электропитания. В 
стационарных условиях такими источниками являются сети переменного одно- или трехфазного тока частотой 50 или 60 Гц. 
Причем в разных странах мира номинальные значения напряжений в таких сетях существенно отличаются, что можно видеть из 
данных табл. 1.1. 

 

Таблица 1.1 — Частота и напряжение в сетях переменного тока, принятые в различных странах 
 

Страна 
Частота, Гц 
Напряжение бытовой сети, В 
Напряжение промышленной сети, В 

Австралия 
50 
240 
240/415, звезда 

Бразилия 
60 
127/220 
220/380, звезда 
220, треугольник 

Континентальная 
Европа 
 
50 
 
220 
 
220/380, звезда 

Израиль 
50 
230 
230/400, звезда 

Япония (запад) 
50 
100/200 
200, треугольник 

Япония (восток) 
60 
100/200 
200, треугольник 

Северная  
Америка 
 
60 
 
120/240 
 
120/208, звезда 

Великобритания 
50 
240 
240/415, звезда 

Россия 
50 
220 
220/380, звезда 

 

Кроме различных номиналов напряжений, ИВЭП должны 

быть рассчитаны на статические и динамические отклонения напряжения первичного источника. Статические отклонения напряжения обычно составляют значения от +10 % до –15 % от номинала, но могут достигать и величин от +15 % до –20 %. Еще 

больших значений достигают динамические (т.е. кратковременные, соизмеримые по длительности или меньшие периода переменного напряжения) отклонения напряжения, вызываемые коммутацией мощных устройств, подключенных к этой же сети. 

На автономных объектах используются в качестве первич
ных источников либо генераторы переменного тока частотой 
400 Гц и более, либо источники постоянного тока (наиболее часто химические источники тока или солнечные элементы). Напряжения источников постоянного тока также имеют отклонения от 
номинального значения. Например, напряжение химического источника зависит от величины отдаваемого тока и степени разряженности, а напряжение солнечного элемента — от величины тока и степени освещенности. 

Основные функциональные блоки электронной аппаратуры 

требуют электроэнергию постоянного тока низкого напряжения. 
В соответствии с этим приведем ниже краткий исторический обзор построения структур ИВЭП, питающихся от сети переменного тока. Для пояснения будем использовать рис. 1.2. 

 

 

Рис. 1.2 — Структурные схемы сетевых источников питания 

Простейшая структурная схема 1 состоит из трансформато
ра, работающего на частоте сети, выпрямителя, пассивного 
фильтра, осуществляющего предварительное сглаживание напряжения, и линейного стабилизатора, обеспечивающего требуемый уровень нестабильности и пульсаций выходного напряжения. Особенность структурной схемы 2 — переход от линейного 
стабилизатора, имеющего низкий КПД, к регулятору переменного напряжения, функции которого нередко совмещаются с функциями выпрямления напряжения. В качестве регулятора переменного напряжения чаще всего используют управляемые тиристорные выпрямители. Особенность структурной схемы 3 заключается в использовании для стабилизации напряжения импульсного регулятора. Эта структура позволяет существенно повысить 
КПД за счет использования обширного арсенала импульсных регуляторов, однако массогабаритные показатели таких источников 
остаются весьма низкими. 

С появлением тиристоров, рассчитанных на амплитудное 

напряжение сети, нашла применение структурная схема 4 с регулирующим органом, включенным на стороне питающей сети, но 
в этой структуре осуществление трансформации и фильтрации 
напряжения на частоте сети требует применения громоздких 
трансформаторов и фильтров, что определяет низкие массогабaритные показатели. Частично улучшить их позволяет структурная схема 5, в которой выпрямленное стабилизированное напряжение трансформируется до требуемого уровня на повышенной частоте, для чего осуществляется инвертирование постоянного напряжения. 

Возможность повышения частоты трансформации и сниже
ния материалоемкости трансформатора определила применение 
структурной схемы 6, которая в отличие от схемы 1 содержит на 
входе трансформатора преобразователь частоты питающего напряжения. Структурные схемы 7—9 являются сетевыми источниками питания с бестрансформаторным входом, регулированием и 
трансформацией напряжения на повышенной частоте и различаются местом включения регулирующего элемента. Осуществление преобразований на повышенной частоте и замена линейного 
(активного) режима работы транзисторов режимом переключений определили получение высоких энергетических характери

стик. Следует отметить, что рассмотренные структурные схемы 
не претендуют на полноту. Функции некоторых узлов, показанных на структурных схемах, могут быть совмещены. Например, 
импульсное регулирование и инвертирование напряжения успешно совмещаются с помощью широтно-импульсной модуляции в регулируемом инверторе. Совмещение функций выпрямления и регулирования с помощью управляемых выпрямителей наряду с рядом недостатков имеет несомненное достоинство по эффективности и простоте. 

Наряду с очевидными достоинствами источники электропи
тания с бестрансформаторным входом на основе импульсных регуляторов обладают и определенными недостатками: усложнение 
схемы; снижение быстродействия и точности стабилизации по 
сравнению с линейными стабилизаторами за счет введения инерционных LC-фильтров, необходимых при импульсном регулировании постоянного напряжения; наличие высокочастотных помех, вызванных широким спектром импульсных сигналов. 

Необходимо особо отметить, что в процессе создания ис
точников с бестрансформаторным входом был решен в той или 
иной мере ряд специфических схемотехнических проблем, присущих этим источникам, среди которых следует в первую очередь назвать следующие: организация плавного запуска и ограничения зарядного тока конденсаторов входного фильтра; обеспечение номинального режима силовых транзисторов при включении и выключении; организация питания схемы управления; 
устранение сквозных токов и формирование желаемой траектории рабочей точки при переключении силовых транзисторов; 
устранение режима одностороннего насыщения магнитной системы силовых трансформаторов двухтактных инверторов. 

Качество выходного напряжения ИВЭП характеризуется 

следующими параметрами: пульсациями и точностью. 

Пульсации выходного напряжения отражают характер и 

значение переменной составляющей. Вид пульсации на выходе 
ИВЭП с бестрансформаторным входом представлен на рис. 1.3. 
Этот параметр задается в виде размаха переменной составляющей (от максимума до минимума пульсации). Чтобы охарактеризовать спектр гармоник переменной составляющей, указывают 
метод измерений той или иной составляющей. Если пульсации 

измеряются осциллографом, то указывают полосу пропускания 
его усилителя. Пульсации задаются в виде трех основных компонент:  

сетевая компонента — размах напряжения в полосе частот 

выпрямленного сетевого напряжения; например, для двухполупериодного выпрямления промышленной сети с частотой 50 Гц эта 
полоса равна 100 Гц; 

ключевая компонента — размах напряжения на частоте ра
боты силовых транзисторов преобразователя, которая обычно составляет десятки и сотни килогерц; 

высокочастотная компонента — размах напряжения высо
кочастотных «выбросов» (пиков) выходного напряжения, измеряемых осциллографом с полосой до 50 МГц; 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Рис. 1.3 
 

Нестабильность выходного напряжения обычно указы
вают как суммарное значение нестабильности, которое отражает 
максимальное изменение выходного напряжения Uвых при воз
ая
ая
а 
а

ая

а

действии на источник всей совокупности дестабилизирующих 
факторов. Единица этого параметра — проценты номинального 
значения выходного напряжения. Иногда приводят значения частных нестабильностей, которые показывают, как изменяется выходное напряжение ИВЭП при воздействии конкретного дестабилизирующего фактора. Основными составляющими общей 
суммарной нестабильности являются: 

нестабильность по сети, т.е. характер изменения выходно
го напряжения ИВЭП в зависимости от изменений входного сетевого напряжения; 

нестабильность по нагрузке, которая показывает, как изме
няется выходное напряжение ИВЭП в зависимости от изменения 
тока нагрузки; 

нестабильность по температуре, которая показывает, как 

изменяется выходное напряжение ИВЭП в зависимости от изменения окружающей температуры; 

нестабильность временная, которая определяет дрейф вы
ходного напряжения ИВЭП за определенный промежуток времени работы при отсутствии за это время изменений других дестабилизирующих факторов; 

нестабильность динамическая, которая определяется крат
ковременным отклонением выходного напряжения ИВЭП при 
скачкообразном изменении тока нагрузки, например, от 50 до 100 % 
номинального значения тока. 

Качество взаимодействия нагрузки с сетью переменного си
нусоидального тока оценивается коэффициентом мощности 

м
и cos ,
k
k
=
⋅
ϕ  

где 
и
k  — коэффициент искажения потребляемого из сети тока, 

который равен отношению действующего значения первой гармоники тока к действующему значению всей функции несинусоидального тока; 

ϕ — угол сдвига первой гармоники потребляемого тока от
носительно входного синусоидального напряжения. 

Оптимальным значением коэффициента мощности является 

единица. ИВЭП с бестрансформаторным входом имеют 
м
k  не бо
лее 0,7. Для обеспечения 
м
k , близкого к оптимальному, исполь
зуются специальные устройства силовой электроники, называе