Электропитание радиоэлектронных средств. Сборник примеров и задач

 

 
 
 
 
 
РЕДАКЦИОННАЯ КОЛЛЕГИЯ 
СЕРИИ «УЧЕБНИКИ НГТУ» 
 
 
д-р техн. наук, проф. (председатель)  А.А. Батаев 
д-р техн. наук, проф. (зам. председателя)  Г.И. Расторгуев 
 
д-р техн. наук, проф. С.В. Брованов 
д-р техн. наук, проф. А.Г. Вострецов 
д-р техн. наук, проф. А.А. Воевода 
д-р техн. наук, проф. В.А. Гридчин 
д-р техн. наук, проф. В.И. Денисов 
д-р физ.-мат. наук, проф. В.Г. Дубровский 
д-р филос. наук, проф. В.И. Игнатьев 
д-р филос. наук, проф. В.В. Крюков 
д-р техн. наук, проф. Н.В. Пустовой 
д-р техн. наук, проф. Х.М. Рахимянов 
д-р филос. наук, проф. М.В. Ромм 
д-р техн. наук, проф. Ю.Г. Соловейчик 
д-р физ.-мат. наук, проф. В.А. Селезнев 
д-р техн. наук, проф. А.А. Спектор 
д-р техн. наук, проф. А.Г. Фишов 
д-р экон. наук, проф. М.В. Хайруллина 
д-р техн. наук, проф. А.Ф. Шевченко 
д-р техн. наук, проф. Н.И. Щуров 
 
 
 

 

УДК 621.314:621.396.6(076.1)(075.8) 
С 147 
 
 
Рецензенты: 
д-р техн. наук, профессор С.С. Абрамов 
канд. техн. наук А.В. Глухов 
канд. техн. наук, доцент А.В. Кривецкий 
 
 
 
Сажнев А.М. 
С 147     Электропитание радиоэлектронных средств. Сборник примеров и задач: учебное пособие /А.М. Сажнев, Л.Г. Рогулина. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2018. – 307 с. (Серия 
«Учебники НГТУ»). 

ISBN 978-5-7782-3748-3 

Приводится краткое изложение принципов действия, порядок и 
примеры расчета устройств электропитания: трансформаторов, неуправляемых выпрямителей, сглаживающих фильтров, стабилизаторов и инверторов напряжения, а также токораспределительной 
сети постоянного тока и требования к выбору типового промышленного оборудования систем электропитания. Рассмотрены примеры решения задач по всем разделам учебного курса и комплекс 
тестовых заданий с ответами.  
Учебное пособие адресовано студентам при изучении ими дисциплин, связанных с электропитанием устройств радиоэлектронных и телекоммуникационных систем, а также для самоконтроля 
полученных знаний. 
Может быть полезным для дипломного проектирования, магистрантам, аспирантам и специалистам в области электропитания. 
 
 
 
УДК 621.314:621.396.6(076.1)(075.8) 
 
ISBN 978-5-7782-3748-3 
 Сажнев А.М., Рогулина Л.Г., 2018 
 
 Новосибирский государственный 
 
технический университет, 2018 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
Введение ............................................................................................................ 7 
1. Трансформаторы ......................................................................................... 11 
1.1. Общие сведения ................................................................................... 11 
1.2. Примеры задач с решениями .............................................................. 18 
1.3. Расчет трансформаторов малой мощности ....................................... 27 
1.4. Тестовые задачи ................................................................................... 38 
2. Неуправляемые выпрямители .................................................................... 59 
2.1. Общие сведения ................................................................................... 59 
2.2. Примеры задач с решениями .............................................................. 69 
2.3. Расчет неуправляемых выпрямителей с емкостным фильтром ...... 80 
2.3.1. Расчет однофазного выпрямителя ............................................ 80 
2.3.2. Расчет трехфазного выпрямителя ............................................. 85 
2.4. Тестовые задачи ................................................................................... 86 
3. Сглаживающие фильтры ............................................................................ 97 
3.1. Общие сведения ................................................................................... 97 
3.2. Примеры задач с решениями ............................................................ 102 
3.3. Расчет пассивного сглаживающего фильтра ................................... 110 
3.4. Тестовые задачи ................................................................................. 116 
4. Стабилизаторы постоянного напряжения .............................................. 129 
4.1. Общие сведения ................................................................................. 129 
4.2. Примеры задач с решениями ............................................................ 135 
4.3. Расчет стабилизатора постоянного напряжения ............................. 144 
4.3.1. Расчет параметрического стабилизатора с УПТ .................... 144 
4.3.2. Расчет импульсного стабилизатора напряжения ................... 146 
4.4. Тестовые задачи ................................................................................. 150 
5. Инверторы напряжения с внешним управлением ................................. 173 
5.1. Общие сведения ................................................................................. 173 

 

5.2. Примеры задач с решениями ............................................................ 180 
5.3. Расчет инвертора напряжения с внешним управлением ................ 184 
5.3.1. Однотактный преобразователь постоянного напряжения 
с обратным включением выпрямительного диода ................ 184 
5.3.2. Однотактный преобразователь постоянного напряжения 
с прямым включением выпрямительного диода ................... 188 
5.3.3. Порядок расчета двухтактных преобразователей ................. 191 
5.4. Тестовые задачи ................................................................................. 194 
6. Корректор коэффициента мощности ...................................................... 215 
6.1. Общие сведения ................................................................................. 215 
6.2. Разновидности ККМ .......................................................................... 216 
6.3. Примеры задач с решениями ............................................................ 221 
6.4. Тестовые задачи ................................................................................. 222 
7. Аккумуляторы ........................................................................................... 229 
7.1. Общие сведения ................................................................................. 229 
7.2. Примеры задач с решениями ............................................................ 233 
7.3. Расчет аккумуляторной батареи ....................................................... 235 
7.4. Тестовые задачи ................................................................................. 236 
8. Системы электропитания ......................................................................... 241 
8.1. Общие сведения ................................................................................. 241 
8.2. Структурная схема системы электроснабжения ............................. 245 
8.3. Примеры задач с решениями ............................................................ 251 
8.4. Расчет системы электропитания постоянного тока ........................ 255 
8.5. Тестовые задачи ................................................................................. 258 
9. Электрические сети .................................................................................. 261 
9.1. Общие сведения ................................................................................. 261 
9.2. Характеристики кабелей ................................................................... 265 
9.3. Примеры задач с решениями ............................................................ 268 
9.4. Расчет электрической сети постоянного тока ................................. 270 
9.5. Тестовые задачи ................................................................................. 279 
10. Ответы на тестовые задачи .................................................................... 281 
Библиографический список ......................................................................... 284 
Приложение ................................................................................................... 286 

 

ВВЕДЕНИЕ 

 
7 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
ВВЕДЕНИЕ 
 
т бесперебойной и надежной работы современного радиоэлектронного и телекоммуникационного оборудования в 
значительной степени зависят успехи огромного числа предприятий 
и организаций. Отклонения от нормативных показателей качества 
электроэнергии ведут к снижению производительности и сбоям в 
работе различного оборудования, а отключение электропитания 
приводит к прерыванию производственного процесса любого предприятия. Следовательно, системы электроснабжения должны быть 
высоконадежными, с определенными параметрами качества питающих напряжений. Функциональные узлы, входящие в состав систем электропитания, подробно описаны в учебной и научнотехнической литературе [1–5]. Специальной и нормативнотехнической документации достаточно для специалистов промышленных предприятий, занимающихся как эксплуатацией, так и проектированием электропитающих установок [6–15].  
Настоящее учебное пособие ставит цель ознакомить студентов 
старших курсов и специалистов в области электропитания с методиками расчета отдельных устройств и системы электропитания в 
целом.  
Обобщенная структурная схема, например, системы электропитания телекоммуникационного оборудования показана на рис. В1, 
где обозначено: ТП1 и ТП2 – трансформаторные подстанции, 
АВР – автомат ввода резерва (механический или электронный), 
ДГУ – резервная электростанция, ШВР – шкаф вводный распреде
О 

 

лительный переменного тока, АБ – аккумуляторная батарея, ВУ – 
выпрямительное устройство (основное и резервное). Инверторы и 
конверторы преобразуют основную градацию напряжения (–24 В 
или –48 В) в требуемые типономиналы. 
 

ШВР

Хозяйственные
нужды

 

Рис. В1. Обобщенная структурная схема электропитания телекоммуникационного оборудования 

Сети общего электроснабжения допускают пропадание 
напряжения на время до 30 с, что недопустимо для питания телекоммуникационного оборудования. Поэтому предприятия связи 
должны быть обеспечены бесперебойным электроснабжением, 
что достигается постановкой на выходе выпрямителя аккумуляторной батареи, которая при пропадании сети (аварийный режим 
работы) питает нагрузку электроэнергией. Эта традиционная, так 
называемая буферная система электропитания сложилась исторически.  
Современные ВУ (рис. В2), входящие в состав систем электропитания, строятся по схеме с бестрансформаторным входом импульсным способом регулирования выходного напряжения и активной фильтрацией тока сети посредством введения корректора 
коэффициента мощности (ККМ).  
Силовая цепь ВУ состоит из следующих функциональных узлов: входного выпрямителя, сглаживающего фильтра, корректора 
коэффициента мощности (ККМ), инвертора напряжения, выходного 

ВВЕДЕНИЕ 

 
9 

выпрямителя и сглаживающего фильтра. Для исключения воздействия входной импульсной помехи на источник и самого источника 
на сеть и потребителя на входе и выходе установлены фильтры помех. Драйверы корректора и преобразователя формируют траекторию движения рабочей точки в области безопасной работы силовых 
ключей и обеспечивают необходимую мощность сигнала управления для гарантированного включения транзисторов.  
 

 

Рис. В2. Структурная схема выпрямительного устройства  

Система управления обеспечивает: 
 стабилизацию и регулировку выходного напряжения методом широтно-импульсной модуляции; 
 активную фильтрацию тока, потребляемого от сети; 
 ограничение тока нагрузки; 
 выключение при уходе напряжения сети переменного тока за 
допустимые пределы; 
 защиту от повышения выходного напряжения; 
 защиту при коротком замыкании на выходе; 
 световую и дистанционную сигнализацию; 
 возможность внешнего изменения выходного напряжения;  
 контроль исправности компонентов системы; 
 равномерное распределение тока между параллельно работающими модулями. 

Подключаемый к системе компьютер упрощает настройку, контроль и предоставляет возможность удаленного доступа в систему 
электропитания. 
Разработанные практические задачи позволят приобрести 
навыки решения сложных проектных задач бесперебойного электропитания. В приложениях приводится справочно-иллюстративный материал, включающий характеристики оборудования, описания основных узлов и электрические параметры некоторых элементов и микросхем. Для проверки остаточных знаний предложены тестовые задачи с ответами в конце книги. 

 

1.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ 

 
11

1. ТРАНСФОРМАТОРЫ 

 
 
 
 
 
1.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ 
 
рансформатор – это статический электромагнитный аппарат, который преобразует параметры (напряжение, ток, 
форму и др.) электрической энергии напряжения переменного тока 
и представляет собой магнитопровод с одной или несколькими обмотками. 
Конструкция 
однофазного 
трансформатора 
показана 
на 
рис. 1.1, где 
1
2
, 
W
W  – первичная и 
вторичная обмотка соответственно; 
0
Ф  – основной магнитный по
ток; 
1
2
Ф
, Ф
S
S  – потоки рассеяния 

первичной и вторичной обмотки. 
Принцип действия трансформатора основан на законе электромагнитной индукции. При протекании в первичной обмотке тока 
магнитный поток в основном замыкается по сердечнику, в первичной цепи возникает ЭДС самоиндукции, а во вторичной цепи ЭДС 

взаимоиндукции: 
Ф
( )
,
d
d
e t
W
dt
dt


 
 
 где   – потокосцепление. 

Если напряжение, приложенное к первичной обмотке, изменяется 
по гармоническому закону, то отсюда следует основная формула 
трансформаторной ЭДС:  

 
1
1
max
4,44
Ф
.
E
W f

 
 (1.1) 

В современной электротехнике источником переменного 
напряжения часто являются инверторы, при этом выражение для 

Т

 

I

Ф

U
W2

0
Ф

S2
ФS1

2

2

I1

W1
U1

 
Рис. 1.1. Конструкция однофаз- 
ного трансформатора 

1. ТРАНСФОРМАТОРЫ 

 
12

ЭДС (любой обмотки) при прямоугольной форме напряжения (меандр) определяется выражением 

 
маг
max
4
E
WfS
B

. 
(1.2) 

Приведем уравнение ЭДС к общему виду для любой формы 
напряжения (табл. 1.1). Для этого введем значение коэффициента 
формы 
ф
k , который определяет связь между действующим и сред
ним значением напряжения: 
ф
ср
/
k
Е Е

. Для учета конструктив
ных особенностей сердечника трансформатора вводится понятие 
коэффициента заполнения сечения сердечника ферромагнитным 
материалом 
маг
K
, который учитывает активную площадь магнит
ного материала в сечении сердечника 
маг.ак
маг
маг
S
S
K

. Под ак
тивной площадью сердечника 
маг.ак
S
 понимается не геометрическое, а чистое сечение магнитного материала.  
Для борьбы с вихревыми токами сердечник изготовляется из 
пластин или лент с изоляционным покрытием, поэтому коэффициент находится в пределах 
маг
K
 = 0,8…1,0. Тогда выражение для 
ЭДС трансформатора принимает вид 

 
ф
маг
max
маг
4
E
k WfS
B
K

. 
 (1.3) 

Т а б л и ц а  1.1 

Значение коэффициента формы  

Форма 
напряжения
 

kф 
1,0 
1,11 
1,16 

 
Наиболее массовыми являются однофазные силовые трансформаторы, которые в зависимости от конфигурации сердечника подразделяют на броневые, стержневые и тороидальные (рис. 1.2).