Источники вторичного электропитания

 
 
 
 
В. К. Битюков, Д. С. Симачков, В. П. Бабенко 
 
 
 
 
 
 
 
 
ИСТОЧНИКИ 
ВТОРИЧНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ 
 
 
 
Учебник 
 
5-е издание, переработанное и дополненное 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 

 
УДК 621.311.6 
ББК 31.252 
Б66 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Битюков, В. К.  
Б66  
Источники вторичного электропитания : учебник / В. К. Битюков, 
Д. С. Симачков, В. П. Бабенко. - 5-е изд., перераб. и доп. - Москва ; Во- 
логда : Инфра-Инженерия, 2024. - 376 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1647-4 
 
Рассмотрены базовые вопросы физики и схемотехники современных источников вторичного электропитания, включающих выпрямительные устройства, стабилизаторы напряжения, инверторы тока и напряжения и преобразователи постоянного тока. Значительное внимание уделено современной элементной базе, а также 
формированию у читателя метрологической культуры и навыков экспериментального, аналитического и метрологического исследования характеристик как отдельных устройств электропитания, так и источника вторичного электропитания в целом.  
Для студентов, обучающихся по направлениям бакалавриата 11.03.01 «Радиотехника», 11.03.02 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи», 
11.03.03 «Конструирование и технология электронных средств», магистратуры 
11.04.01 «Радиотехника» и специалитета 11.05.01 «Радиоэлектронные системы и 
комплексы», для углубленного изучения дисциплин «Источники вторичного электропитания» и «Физические основы преобразовательной техники». Будет полезен 
студентам других технических и инженерно-физических специальностей при изучении дисциплин «Электропреобразовательные устройства РЭС», «Промышленная 
электроника», «Аналоговая схемотехника» и аналогичных.  
 
УДК 621.311.6 
ББК 31.252 
 
 
ISBN 978-5-9729-1647-4 
” Битюков В. К., Симачков Д. С., Бабенко В. П., 2024 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 

ГЛАВА 7. Импульсные преобразователи постоянного тока 
ОГЛАВЛЕНИЕ 
ВВЕДЕНИЕ ........................................................................................................................... 6 
ГЛАВА 1.  
КЛАССИФИКАЦИЯ И СТРУКТУРНЫЕ СХЕМЫ ИСТОЧНИКОВ 
ВТОРИЧНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ................................................................................ 9 
† 1.1. Классификация источников вторичного электропитания ....................................... 9 
† 1.2. Структурная схема современного источника вторичного электропитания 
......... 
10 
† 1.3. Условные обозначения отечественных полупроводниковых приборов .............. 
15 
† 1.4. Трансформаторы и дроссели .................................................................................... 
17 
Контрольные вопросы ......................................................................................................... 
30 
ГЛАВА 2.  
ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПАРАМЕТРЫ ИСТОЧНИКОВ 
ВТОРИЧНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ .............................................................................. 
31 
† 2.1. Нагрузочная характеристика и динамическое сопротивление 
.............................. 
31 
† 2.2. Передаточная характеристика и коэффициент стабилизации
выходного напряжения по входному напряжению 
................................................ 
35 
† 2.3. Коэффициенты стабилизации стабилизаторов тока источников
вторичного электропитания ..................................................................................... 
37 
† 2.4. Регулировочная характеристика 
............................................................................... 
40 
† 2.5. Энергетические и эксплуатационные параметры 
................................................... 
40 
† 2.6. Применение метода наименьших квадратов для обработки
экспериментальных данных ..................................................................................... 
43 
† 2.7. Методы уменьшения массогабаритных параметров источников
вторичного электропитания ..................................................................................... 
51 
† 2.8. Метрологическая культура представления результатов  экспериментальных
и расчетных исследований ....................................................................................... 
56 
† 2.9. Расчет систематических погрешностей измерений 
................................................ 
58 
2.9.1. Расчет систематической погрешности аналоговых 
измерительных приборов 
.............................................................................. 
59 
2.9.2. Расчет систематической погрешности цифровых  
измерительных приборов ............................................................................. 
59 
2.9.3. Оформление результатов измерений ........................................................... 
61 
Контрольные вопросы ......................................................................................................... 
66 
ГЛАВА 3.  
УСТРОЙСТВА ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА  
В ЭНЕРГИЮ ПОСТОЯННОГО ТОКА (AC/DC-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ) ..................... 
69 
† 3.1. Классификация выпрямительных устройств .......................................................... 
69 
† 3.2. Неуправляемые выпрямительные устройства ........................................................ 
72 
3.2.1. Структурная схема выпрямительного устройства 
...................................... 
74 
3.2.2. Типовые схемы построения неуправляемых  
выпрямительных устройств ........................................................................ 
75 
3.2.2.1. Работа неуправляемого выпрямительного устройства   
на резистивную нагрузку ............................................................ 
75 
3 

ИСТОЧНИКИ ВТОРИЧНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ 
3.2.2.2. Работа неуправляемого выпрямительного устройства  
на резистивно-емкостную нагрузку ........................................... 
90 
3.2.3. Методы определения угла отсечки ........................................................... 103 
3.2.4. Работа неуправляемого выпрямителя на резистивно-индуктивную 
нагрузку ....................................................................................................... 114 
† 3.3. Умножители напряжения 
....................................................................................... 121 
† 3.4. Сглаживающие фильтры 
........................................................................................ 128 
† 3.5. Управляемые выпрямители ................................................................................... 129 
3.5.1. Работа управляемого выпрямителя на резистивную нагрузку 
............... 132 
3.5.2. Работа управляемого выпрямителя  
на резистивно-индуктивную нагрузку ..................................................... 138 
3.5.3. Коммутация тока в управляемых выпрямительных устройствах .......... 144 
3.5.4. Исследование формы токов тринисторов в процессе коммутации  
их токов ....................................................................................................... 151 
† 3.6. Управляемые выпрямители с вольтодобавкой .................................................... 154 
Контрольные вопросы ...................................................................................................... 173 
ГЛАВА 4.  
ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ СТАБИЛИЗАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ И ТОКА 
(DC/DC-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ) 
...................................................................................... 175 
† 4.1. Классификация стабилизаторов напряжения и тока ........................................... 175 
† 4.2. Физика и схемотехника параметрических стабилизаторов напряжения
и тока 
........................................................................................................................ 177 
4.2.1. Вольт-амперная характеристика стабилитронов ..................................... 177 
4.2.2. Параметрические стабилизаторы напряжения постоянного тока,  
построенные по схеме делителя напряжения .......................................... 184 
4.2.3. Параметрические стабилизаторы тока 
...................................................... 191 
4.2.4. Параметрические стабилизаторы напряжения постоянного тока,  
построенные по мостовой схеме ............................................................... 197 
† 4.3. Стабилитронные интегральные микросхемы....................................................... 201 
Контрольные вопросы ...................................................................................................... 202 
ГЛАВА 5.  
КОМПЕНСАЦИОННЫЕ СТАБИЛИЗАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ ПОСТОЯННОГО 
ТОКА C НЕПРЕРЫВНЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ 
(DC/DC-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ) 
...................................................................................... 204 
† 5.1. Элементная база стабилизаторов напряжения и тока ......................................... 204 
5.1.1. Биполярные транзисторы ........................................................................... 207 
5.1.2. Полевые транзисторы ................................................................................. 222 
5.1.3. Комбинированные биполярно-полевые транзисторы IGBT 
................... 243 
† 5.2. Схемотехника компенсационных стабилизаторов напряжения
постоянного тока с непрерывным регулированием 
............................................ 252 
† 5.3. Аналитический вывод соотношений для определения основных
параметров стабилизаторов 
................................................................................... 263 
† 5.4. Схемотехника компенсационных стабилизаторов тока
с непрерывным регулированием 
........................................................................... 266 
† 5.5. Интегральные стабилизаторы с непрерывным регулированием ....................... 268 
† 5.6. Пример использования схемотехнических особенностей
при разработке линейных стабилизаторов напряжения постоянного тока ...... 276 
Контрольные вопросы ...................................................................................................... 279 
4 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
ГЛАВА 6.  
УСТРОЙСТВА ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ПОСТОЯННОГО ТОКА  
В ЭНЕРГИЮ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА (DC/AC-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ) 
................... 282 
† 6.1. Силовая часть инверторов...................................................................................... 283 
† 6.2. Автономные инверторы с самовозбуждением 
..................................................... 286 
6.2.1. Принцип действия 
....................................................................................... 287 
6.2.2. Вывод формулы для определения частоты коммутации ........................ 292 
6.2.3. Запускающие цепочки ................................................................................ 295 
† 6.3. Автономные инверторы тока и напряжения ........................................................ 299 
Контрольные вопросы ...................................................................................................... 307 
ГЛАВА 7.  
ИМПУЛЬСНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА 
(DC/DC-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ) 
...................................................................................... 309 
† 7.1. Преобразователи постоянного тока с гальванической развязкой входа
 и выхода 
.................................................................................................................. 310 
7.1.1. Прямоходовые DC/DC-преобразователи 
.................................................. 311 
7.1.2. Обратноходовые DC/DC-преобразователи 
............................................... 316 
† 7.2. Преобразователи постоянного тока с гальванической связью входа
и выхода 
................................................................................................................... 320 
7.2.1. КСН с ИР, силовая часть которого построена  
по схеме понижающего типа ..................................................................... 323 
7.2.2. КСН с ИР, силовая часть которого построена 
по схеме повышающего типа .................................................................... 334 
7.2.3. КСН с ИР, силовая часть которого построена  
по схеме полярно-инвертирующего типа 
................................................. 339 
7.2.4. DC/DC-преобразователи повышающе-понижающего типа 
.................... 343 
7.2.4.1. DC/DC-преобразователи по топологии SEPIC 
........................ 343 
7.2.4.2. DC/DC-преобразователи по топологии с накачкой заряда .... 346 
† 7.3. Принципиальная электрическая схема компенсационного стабилизатора
напряжения постоянного тока с импульсным регулированием ........................ 352 
Контрольные вопросы ...................................................................................................... 355 
ГЛАВА 8. 
ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ В СЕТЕВЫХ ИСТОЧНИКАХ  
ВТОРИЧНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ........................................................................... 358 
† 8.1. Обобщенная схема сетевого бестрансформаторного источника
вторичного питания 
................................................................................................ 358 
† 8.2. Распределенная система электропитания 
............................................................. 362 
† 8.3. Сетевой адаптер для зарядки телефонов .............................................................. 364 
† 8.4. Сетевой адаптер на микросхеме LNK362P .......................................................... 366 
† 8.5. Бестрансформаторные AC/DC ROHM 
.................................................................. 369 
Контрольные вопросы ...................................................................................................... 371 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 
............................................................................................................... 372 
ЛИТЕРАТУРА 
................................................................................................................. 373 
5 

ГЛАВА 7. Импульсные преобразователи постоянного тока 
 
 
 
 
 
ВВЕДЕНИЕ 
 
Неотъемлемой частью современных наукоемких радиоэлектронных 
средств (РЭС), к которым относятся радиотехнические, компьютерные, 
телекоммуникационные, технологические и другие технические системы, 
являются источники энергии.  
Источники энергии РЭС делятся на первичные (ПИЭ) и вторичные 
(ИВЭ).  
ПИЭ преобразуют неэлектрические виды энергии (механическую, 
тепловую, ядерную, химическую, солнечной радиации, приливов и т. д.)  
в электрическую. К ПИЭ относятся генераторы, фотоэлектрические преобразователи, фотоэмиссионные преобразователи, термоэлектрические 
генераторы, химические источники тока (батареи, аккумуляторы), ядерные преобразователи и т. д. 
ИВЭ выполняют преобразование электрической энергии одного рода тока в электрическую энергию того же или другого рода тока требуемых параметров и качества. 
В настоящем учебнике рассмотрены только источники вторичного 
электропитания. 
Значимость ИВЭ подтверждается тем, что итоговой функцией любой технической системы является преобразование энергии источника 
вторичного электропитания в энергию выходного сигнала.  
Конструктивно ИВЭ представляют собой совокупность различных 
преобразователей электрической энергии, выполняющих соответствующие операции: выпрямление, фильтрацию, инвертирование, стабилизацию, защиту, управление, сигнализацию и так далее. Улучшение тактикотехнических характеристик ИВЭ, в том числе снижение их массогабаритных параметров, достигается решением комплекса проблем. Например, 
выбором принципа действия, структуры построения, схемы реализации, 
режима работы, элементной базы и конструкции. Основная тенденция совершенствования современных ИВЭ заключается в растущем использовании импульсного режима силовых транзисторов. Это в значительной 
степени позволяет уменьшить массогабаритные параметры ИВЭ и повысить их КПД. 
В середине последнего десятилетия ХХ века на рынке интегральных электрорадиоэлементов (ЭРЭ), применяемых в источниках вторичного электропитания, произошла революция: начался их массовый выпуск. 
К таким компонентам относятся управляемые полупроводниковые си- 
ловые ключи (на базе транзисторов MOSFET и IGBT), импульсные дио- 
ды с малым временем обратного восстановления, драйверы управления 
6 
 

ВВЕДЕНИЕ 
 
электронными ключами, компоненты защиты от перенапряжений, микросхемы преобразователей и стабилизаторов, в том числе комбинированные 
микросхемы для построения ИВЭ. Силовые MOSFET и IGBT ² одни из 
самых востребованных в настоящее время ключевых электрорадиоэлементов, частота преобразования которых достигает a4 МГц. К сожалению, впечатляющих эффектов в уменьшении массы и габаритов статических электромагнитных устройств (дросселей и трансформаторов)  
до настоящего времени не достигнуто. Широкая номенклатура современной элементной базы при ее доступности позволяет применять модульный принцип к проектированию стандартных ИВЭ. Ситуация значительно усложняется при стремлении получить ИВЭ с высокими тактикотехническими показателями. 
ИВЭ в значительной степени определяют эксплуатационные, массогабаритные и энергетические показатели всей системы, а также надежность ее функционирования на всех этапах жизненного цикла. Это обусловливает необходимость строгого подхода к разработке, проектированию, реализации и утилизации источников вторичного электропитания.  
В учебнике рассмотрены основные вопросы схемотехники управляемых и неуправляемых выпрямителей, параметрических, линейных и импульсных стабилизаторов, инверторов и преобразователей постоянного 
тока, являющихся составными устройствами ИВЭ. Значительное внимание уделено современной элементной базе источников вторичного электропитания, формированию у читателя метрологической культуры, методических навыков и умений экспериментального, аналитического и метрологического исследования основных характеристик и параметров как 
отдельных устройств электропитания, так и источника вторичного электропитания в целом. Изложение материала построено так, чтобы у читателя уже на студенческой скамье формировался профессиональный подход к разработке радиоэлектронных устройств, работающих в составе соответствующих наукоемких технических систем и комплексов.  
В учебнике представлены материалы, используемые авторами  
в ходе педагогической деятельности в МИРЭА - Российском технологическом университете (РТУ МИРЭА) при преподавании дисциплин «Источники вторичного электропитания», «Электропреобразовательные устройства радиоэлектронных средств», «Физические основы преобразовательной техники», «Энергообеспечение радиотехнических систем» и близких  
к ним. Общение авторов со студентами, обучающимися в бакалавриате, 
магистратуре и специалитете, позволило отобрать материал учебника, 
который, с одной стороны, позволяет сформировать соответствующие 
компетенции, а с другой стороны, помогает подготовить читателей к активной научно-исследовательской и/или конструкторско-технологической 
деятельности. Поэтому авторы стремились учесть актуальные тенденции  
в развитии ИВЭ, схемотехнические и технологические достижения  
7 
 

ИСТОЧНИКИ ВТОРИЧНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ 
 
современной элементной базы и реальный уровень подготовки читателей. 
Много внимания также уделено развитию у читателей физического и схемотехнического мышления и метрологической культуры. 
Педагогический опыт работы в высшей школе показал, что самостоятельная работа студентов является базовым этапом современного инновационного учебного процесса по наукоемким направлениям и специальностям, который формирует квалифицированного профессионала, 
востребованного на рынке труда.  
Надо отметить, что по дисциплинам типа «Источники вторичного 
электропитания» имеется много отечественных и зарубежных учебников 
и учебных пособий, а также профильных монографий, справочников  
и массовой литературы. Авторы не ставили перед собой задачу их заменить. Настоящий учебник является дополнением как к имеющимся учебникам и учебным пособиям, так и к методическим указаниям по выполнению лабораторных работ, расчетно-графических заданий и курсового 
или дипломного проектирования по тематике, связанной со схемотехникой аналоговых электронных устройств.  
При изложении материала авторы учитывали требования нормативной технической документации по оформлению печатных изданий.  
Но иногда авторы сознательно отступали от этих требований. Это делалось в целях облегчения восприятия излагаемой информации. 
Учебник предназначен в первую очередь для студентов, обучающихся 
по направлениям бакалавриата 11.03.01 Радиотехника, 11.03.02 Инфокоммуникационные технологии и системы связи, 11.03.03 Конструирование 
и технология электронных средств, магистратуры 11.04.01 Радиотехника  
и специалитета 11.05.01 Радиоэлектронные системы и комплексы.  
Учебник будет также весьма полезен студентам других технических 
и инженерно-физических направлений и специальностей при изучении 
дисциплин «Электропреобразовательные устройства РЭС», «Промышленная электроника», «Аналоговая схемотехника» и других. 
 
8 
 

ГЛАВА 7. Импульсные преобразователи постоянного тока 
Г
ЛАВА 1.  
КЛАССИФИКАЦИЯ И СТРУКТУРНЫЕ СХЕМЫ ИСТОЧНИКОВ 
ВТОРИЧНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ  
† 1.1. Классификация источников вторичного электропитания
Источники вторичного электропитания РЭС в зависимости от 
назначения классифицируют по следующим основным признакам. 
По виду входной электрической энергии:  
x ИВЭ, работающие от однофазной или многофазной сети переменного тока;
x ИВЭ, работающие от сети постоянного тока;
x ИВЭ, работающие от сетей постоянного и переменного тока.
По виду выходной электрической энергии:
x ИВЭ с выходным напряжением переменного тока;
x ИВЭ с выходным напряжением постоянного тока;
x ИВЭ с выходным напряжением переменного и постоянного тока.
По величине выходной мощности ܲ
˅˞˘:
x ИВЭ микромощные (ܲ
˅˞˘ < 1 Вт);
x ИВЭ малой мощности (ܲ
˅˞˘ = 1...10 Вт);
x ИВЭ средней мощности (ܲ
˅˞˘ = 10...100 Вт);
x ИВЭ повышенной мощности (ܲ
˅˞˘= 100...1 000 Вт);
x ИВЭ большой мощности (ܲ
˅˞˘ ! 1 000 Вт).
По номинальному значению выходного напряжения ܷ˅˞˘:
x ИВЭ на низкое выходное напряжение (ܷ˅˞˘< 100 В);
x ИВЭ на среднее выходное напряжение (ܷ˅˞˘ = 100...1 000 В);
x ИВЭ на высокое выходное напряжение (ܷ˅˞˘ ! 1 000 В).
По допустимому отклонению выходного напряжения:
x низкой точности (более 5 );
x средней точности (1...5 );
x высокой точности (0,1...1,0 );
x прецизионные (менее 0,1 ).
По уровню пульсации выходного напряжения постоянного тока:
x малый уровень (менее 0,1 );
x средний уровень (0,1...1,0 );
x большой уровень (более 1 ).
9 

ИСТОЧНИКИ ВТОРИЧНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ 
 
По степени постоянства выходного напряжения:  
x ИВЭ без стабилизации; 
x ИВЭ со стабилизацией.  
 
По числу выходов:  
x одноканальные (один выход) ИВЭ; 
x многоканальные (два и более выходов) ИВЭ. 
 
По наличию на входе сетевого трансформатора: 
x с сетевым входным трансформатором; 
x без сетевого входного трансформатора. 
 
По принципу организации электропитания РЭС: 
x централизованное электропитание; 
x децентрализованное электропитание. 
 
По способу стабилизации:  
x параметрические; 
x компенсационные. 
 
Параметрические стабилизаторы имеют в своем составе нелинейный элемент, и стабилизация напряжения и/или тока осуществляется  
за счет нелинейности вольт-амперной характеристики (ВАХ) элемента.  
Компенсационные стабилизаторы представляют собой систему  
автоматического регулирования, в которой постоянство, например, выходного напряжения при изменении входного напряжения, температуры 
ИВЭ, сопротивления нагрузки обеспечивается за счет изменения падения 
напряжения на регулирующем элементе (РЭ). По способу управления регулирующим элементом компенсационные стабилизаторы подразделяются на компенсационные стабилизаторы напряжения с непрерывным регулированием (КСН с НР) и компенсационные стабилизаторы напряжения  
с импульсным регулированием (КСН с ИР). Компенсационные стабилизаторы напряжения или тока с непрерывным регулированием часто называют линейными, а компенсационные стабилизаторы напряжения с импульсным регулированием ² импульсными или ключевыми. 
 
† 1.2. Структурная схема современного источника вторичного  
электропитания 
 
Источники вторичного электропитания преобразуют энергию одного рода тока в энергию другого рода тока или в энергию того же рода тока, но другого количества и/или качества (табл. 1.1). 
На рис. 1.1 показана структурная схема современного источника 
вторичного электропитания РТС, работающего от однофазной сети переменного тока.  
Напряжение ݑ௖ переменного тока питающей промышленной сети 
(как правило, напряжением 220 В и частотой f = 50 Гц) подвергается 
10