Физика и схемотехника источников электропитания радиотехнических устройств

 
В. К. Битюков, Д. С. Симачков, В. П. Бабенко 
 
 
 
 
 
 
 
 
ФИЗИКА И СХЕМОТЕХНИКА 
ИСТОЧНИКОВ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ 
РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ 
 
 
 
 
Учебник 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024

УДК 621.314621.38 
ББК 32.84432.85 
Б66  
Рецензенты: 
доктор технических наук, профессор Куликов Геннадий Валентинович  
(МИРЭА-Российский технологический университет); 
доктор технических наук Фрунзе Александр Вилленович  
(АНО НТП «ТЕРМОКОНТ») 
Битюков, В. К.  
Б66  
Физика и схемотехника источников электропитания радиотехнических устройств : учебник / В. К. Битюков, Д. С. Симачков, В. П. Бабенко. - 
Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. - 336 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-2033-4 
Рассмотрены физика и схемотехника построения и функционирования современных источников электропитания радиотехнических устройств, включающих выпрямительные устройства, параметрические, линейные и импульсные стабилизаторы 
напряжения и тока, инверторы тока и напряжения и преобразователи постоянного тока, в том числе понижающе-повышающие DC/DC преобразователи с униполярным и 
биполярным выходом. Значительное внимание уделено современной элементной базе 
устройств электропитания, формированию у читателя метрологической культуры и 
методических навыков, а также умений экспериментального, аналитического и метрологического исследования основных характеристик и параметров устройств электропитания. Изложение материала учебника построено так, чтобы у читателя уже на студенческой скамье формировался профессиональный подход к разработке радиотехнических устройств, работающих в составе соответствующих наукоемких технических 
систем и комплексов. 
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»), а также по специальности специалитета (11.05.01 «Радиоэлектронные системы и комплексы»), для углубленного изучения дисциплины «Схемотехника электронных устройств». Будет полезен студентам других технических и 
инженерно-физических направлений и специальностей при изучении дисциплин «Источники вторичного электропитания», «Физические основы преобразовательной техники», «Промышленная электроника», «Аналоговая схемотехника» и других.   
УДК 621.314621.38 
ББК 32.84432.85 
ISBN 978-5-9729-2033-4 
” Битюков В. К., Симачков Д. С., Бабенко В. П., 2024 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 

 
ОГЛАВЛЕНИЕ 
ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................................. 7 
 
ГЛАВА 1. СТРУКТУРНЫЕ СХЕМЫ, ХАРАКТЕРИСТИКИ  
И ПАРАМЕТРЫ ИСТОЧНИКОВ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ 
РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ 
................................................................... 9 
1.1. Структурная схема источников электропитания радиотехнических 
устройств ................................................................................................................ 9 
1.2. Методы уменьшения массогабаритных параметров источников 
электропитания радиотехнических устройств ................................................. 12 
1.3. Характеристики и параметры источников электропитания 
радиотехнических устройств ............................................................................. 20 
1.3.1. Нагрузочная характеристика и динамическое сопротивление ...... 20 
1.3.2. Передаточная характеристика стабилизатора напряжения  
и его коэффициент стабилизации выходного напряжения  
по входному напряжению ............................................................................ 28 
1.3.3. Коэффициенты стабилизации стабилизаторов тока 
........................ 30 
1.3.4. Регулировочная характеристика 
........................................................ 33 
1.3.5. Энергетические и эксплуатационные параметры 
............................ 33 
1.3.6. Применение метода наименьших квадратов для обработки 
экспериментальных данных 
......................................................................... 39 
1.3.7. Метрологическая культура представления результатов 
экспериментальных и вычислительных исследований 
............................. 46 
1.3.8. Расчет систематических погрешностей измерений 
......................... 47 
1.3.8.1. Расчет систематической погрешности аналоговых 
измерительных приборов ....................................................................... 48 
1.3.8.2. Расчет систематической погрешности цифровых 
измерительных приборов ....................................................................... 49 
1.3.8.3. Оформление результатов измерений ....................................... 50 
1.4. Контрольные вопросы ................................................................................. 54 
 
ГЛАВА 2. СТАТИЧЕСКИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ КОМПОНЕНТЫ .......... 57 
2.1. Трансформаторы .......................................................................................... 57 
2.2. Дроссели 
........................................................................................................ 67 
2.3. Контрольные вопросы ................................................................................. 70 
 
ГЛАВА 3. ЭЛЕКТРОННАЯ КОМПОНЕНТНАЯ БАЗА 
....................................... 71 
3.1. Система обозначений отечественных полупроводниковых  
приборов 
............................................................................................................... 72 
3 

 
3.2. Электронная компонентная база: диоды, тиристоры,  
стабилитроны и стабисторы 
............................................................................... 73 
3.2.1. Диоды ................................................................................................... 74 
3.2.2. Тиристоры 
............................................................................................ 77 
3.2.3. Стабилитроны и стабисторы 
.............................................................. 80 
3.3. Электронная компонентная база: классификация транзисторов ............ 87 
3.4. Электронная компонентная база: биполярные транзисторы 
................... 93 
3.4.1. Физика биполярных транзисторов .................................................... 93 
3.4.2. Типовые схемы включения транзисторов ........................................ 98 
3.4.3. Составные транзисторы 
.................................................................... 103 
3.5. Электронная компонентная база: полевые транзисторы ....................... 106 
3.5.1. Полевые транзисторы с управляющим p-n переходом ................. 108 
3.5.2. Полевые транзисторы с изолированным затвором и  
со встроенным каналом .............................................................................. 116 
3.5.3. Полевые транзисторы с индуцированным каналом ...................... 120 
3.5.4. Комбинированные биполярно-полевые транзисторы 
................... 135 
3.5.5. Нитрид-галлиевые и карбид-кремниевые транзисторы 
................ 138 
3.6. Контрольные вопросы ............................................................................... 147 
 
ГЛАВА 4. ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА 
.............................................. 149 
4.1. Классификация выпрямительных устройств .......................................... 149 
4.2. Неуправляемые выпрямительные устройства......................................... 150 
4.2.1. Структурная схема выпрямительного устройства 
......................... 151 
4.2.2. Типовые схемы построения неуправляемых  
выпрямительных устройств ....................................................................... 152 
4.2.2.1. Работа неуправляемого выпрямительного устройства  
на резистивную нагрузку ..................................................................... 152 
4.2.2.2. Работа неуправляемого выпрямительного устройства  
на резистивно-емкостную нагрузку .................................................... 163 
4.2.2.3. Работа неуправляемого выпрямительного устройства  
на резистивно-индуктивную нагрузку 
................................................ 177 
4.3. Пассивные сглаживающие фильтры ........................................................ 181 
4.4. Контрольные вопросы ............................................................................... 183 
 
ГЛАВА 5. ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ СТАБИЛИЗАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ  
И ТОКА .................................................................................................................... 184 
5.1. Классификация стабилизаторов напряжения и тока .............................. 184 
5.2. Физика и схемотехника параметрических стабилизаторов  
напряжения и тока 
............................................................................................. 185 
5.2.1. Параметрические стабилизаторы напряжения постоянного  
тока, построенные по схеме делителя напряжения ................................. 186 
 
4 

 
5.2.2. Параметрические стабилизаторы тока 
............................................ 191 
5.2.3. Параметрические стабилизаторы напряжения постоянного  
тока, построенные по мостовой схеме 
...................................................... 196 
5.2.4. Стабилитронные интегральные микросхемы ................................ 199 
5.3. Контрольные вопросы ............................................................................... 201 
 
ГЛАВА 6. КОМПЕНСАЦИОННЫЕ СТАБИЛИЗАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ 
ПОСТОЯННОГО ТОКА C НЕПРЕРЫВНЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ 
.............. 202 
6.1. Схемотехника компенсационных стабилизаторов напряжения 
постоянного тока с непрерывным регулированием ...................................... 202 
6.2. Методы повышения стабильности выходного напряжения  
линейных стабилизаторов напряжения 
........................................................... 208 
6.3. Линейные низковольтные стабилизаторы напряжения ......................... 213 
6.4. Аналитический вывод математических соотношений  
для определения основных параметров компенсационных  
стабилизаторов напряжения  постоянного тока с непрерывным 
регулированием ................................................................................................. 213 
6.5. Схемотехника компенсационных стабилизаторов тока   
с непрерывным регулированием ..................................................................... 217 
6.6. Пример применения схемотехнических особенностей  
при построении линейных стабилизаторов напряжения  
постоянного тока ............................................................................................... 218 
6.7. Защита в компенсационных стабилизаторах напряжения  
с непрерывным регулированием ..................................................................... 222 
6.7.1. Защита от превышения выходного напряжения 
............................ 222 
6.7.2. Защита компенсационных стабилизаторов напряжения  
с непрерывным регулированием от перегрузки по току нагрузки ........ 225 
6.8. Интегральные стабилизаторы с непрерывным регулированием .......... 228 
6.9. Практическая схема линейного стабилизатора напряжения  
постоянного тока ............................................................................................... 233 
6.10. Контрольные вопросы ............................................................................. 235 
 
ГЛАВА 7. ИНВЕРТОРЫ ........................................................................................ 237 
7.1. Силовая часть инверторов 
......................................................................... 238 
7.2. Автономные инверторы с самовозбуждением 
........................................ 241 
7.2.1. Принцип действия 
............................................................................. 241 
7.2.2. Вывод формулы для определения частоты коммутации .............. 246 
7.2.3. Запускающие цепочки ...................................................................... 248 
7.3. Автономные инверторы тока и напряжения ........................................... 252 
7.4. Контрольные вопросы ............................................................................... 259 
 
5 

 
ГЛАВА 8. ИМПУЛЬСНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ПОСТОЯННОГО  
ТОКА ........................................................................................................................ 260 
8.1. Преобразователи постоянного тока с гальванической развязкой  
входа и выхода 
................................................................................................... 262 
8.1.1. Прямоходовые DC/DC преобразователи ........................................ 263 
8.1.2. Обратноходовые DC/DC преобразователи 
..................................... 269 
8.2. Преобразователи постоянного тока без гальванической развязки  
входа и выхода 
................................................................................................... 275 
8.2.1. КСН с ИР, силовая часть которого построена по схеме 
понижающего типа 
...................................................................................... 278 
8.2.2. КСН с ИР, силовая часть которого построена по схеме 
повышающего типа ..................................................................................... 288 
8.2.3. КСН с ИР, силовая часть которого построена по схеме  
полярно-инвертирующего типа ................................................................. 293 
8.2.4. Принципиальная электрическая схема компенсационного 
стабилизатора напряжения постоянного тока с импульсным 
регулированием и силовой частью понижающего типа ......................... 297 
8.3. Импульсные преобразователи постоянного тока  
понижающе-повышающего типа 
..................................................................... 301 
8.3.1. DC/DC преобразователи, построенные по топологии SEPIC ...... 301 
8.3.2. DC/DC преобразователи, построенные по топологии Zeta .......... 303 
8.3.3. DC/DC преобразователи, построенные по топологии Сuсk ......... 305 
8.4. DC/DC преобразователи с биполярным выходом понижающеповышающего типа, построенные по топологии SEPIC/CUCK .................. 307 
8.5. DC/DC преобразователи понижающе-повышающего типа,  
построенные по топологии с накачкой заряда ............................................... 311 
8.6. Контрольные вопросы ............................................................................... 322 
 
ГЛАВА 9. СЕТЕВОЙ БЕСТРАНСФОРМАТОРНЫЙ ИСТОЧНИК 
ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ............................................................................................. 324 
9.1. Принципиальная электрическая схема современного источника 
электропитания радиотехнического устройства 
............................................ 324 
9.2. Контрольные вопросы ............................................................................... 329 
 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ....................................................................................................... 330 
 
ЛИТЕРАТУРА ......................................................................................................... 331 
6 

 
ВВЕДЕНИЕ 
Источники электропитания (ИЭП) радиотехнических устройств (РТУ) реализуются устройствами, выполняющими преобразование электрической энергии одного рода тока в электрическую энергию того же или другого рода тока 
требуемых параметров и качества.  
К ИЭП РТУ относятся как сами разнообразные преобразователи тока и 
напряжения, стабилизаторы напряжения и тока, инверторы, конверторы, управляемые и неуправляемые выпрямительные устройства, сглаживающие и помехоподавляющие фильтры, устройства защиты и диагностики и другие, так и их 
композиции, выполняющие соответствующие функции: выпрямление, фильтрацию, инвертирование, трансформацию, стабилизацию, защиту, управление, сигнализацию и так далее.  
Значимость ИЭП определяется тем, что итоговой функцией любой технической наукоемкой системы (информационной, радиотехнической, инфокоммуникационной, технологической и других) является преобразование энергии 
устройства электропитания в энергию выходного сигнала соответствующей системы.  
Улучшение тактико-технических характеристик ИЭП, в том числе снижение их массогабаритных параметров, достигается решением комплекса технических вопросов. Например, выбором принципа действия, структуры построения, 
схемы реализации, режима работы, элементной базы и конструкции. Основная 
тенденция совершенствования современных ИЭП связана с использованием импульсного режима силовых транзисторов. Это в значительной степени позволило 
в последние десять лет существенно уменьшить массогабаритные параметры 
ИЭП, повысить их надежность и КПД. 
ИЭП в значительной степени определяют эксплуатационные, массогабаритные и энергетические показатели всей технической системы, а также надежность 
функционирования на всех этапах ее жизненного цикла.  
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 
читателю восприятия излагаемой информации. 
В учебнике представлены результаты научно-исследовательской и педагогической деятельности авторов в МИРЭА ௅ Российском технологическом 
университете (РТУ МИРЭА).  
Общение авторов со студентами, обучающимися в бакалавриате, магистратуре и специалитете, и в аудитории, и в рамках совместных научноисследовательских работ позволило отобрать материал учебника, который, с 
одной стороны, позволяет формировать не кликовое, а творческое персонализированное мышление, а, с другой стороны, подготовить читателей к активной 
научно-исследовательской и/или конструкторско-технологической деятельности.  
7 

 
Зная реальный уровень подготовки читателей, авторы много внимания 
уделили подбору в учебник материала, способствующего развитию и формированию у читателей траектории образования, базирующейся на фундаментальных физических законах и математических приложениях, а также метрологической культуре, методических и практических навыках и умениях экспериментального и аналитического исследования основных характеристик и параметров 
ИЭП.  
Это предопределило целесообразность включения в учебник вопросов, 
связанных с актуальными тенденциями развития источников электропитания 
радиотехнических устройств, а также схемотехническими и физико-технологическими достижениями современной элементной базы.  
Изложение материала учебника построено так, чтобы у читателя уже на 
студенческой скамье формировался исследовательский интерес к разработке радиотехнических устройств, работающих в составе соответствующих наукоемких 
технических системах и комплексах. Ведь именно инновационные исследования 
являются императивом опережающего развития науки и техники. 
Опыт работы в высшей школе показал, что самостоятельная работа студентов является базовым этапом учебного процесса по наукоемким направлениям и специальностям, который формирует квалифицированного профессионала, востребованного на современном рынке труда. 
Высшая школа является институтом развития, обеспечивая производство 
и передачу новых знаний и технологий, разработку инновационных продуктов 
и их вывод на национальный и глобальный рынок.  
Это в полной мере относится и к РТУ МИРЭА. 
8 

 
ГЛАВА 1. 
СТРУКТУРНЫЕ СХЕМЫ, ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПАРАМЕТРЫ  
ИСТОЧНИКОВ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ 
УСТРОЙСТВ 
1.1. Структурная схема источников электропитания радиотехнических 
устройств 
Существует два вида тока: постоянный ток (DC) и переменный ток (AC). 
Виды преобразований энергии постоянного и переменного токов и устройства 
для их реализации показаны в таблице 1.1. 
Таблица 1.1 
Виды преобразований энергии постоянного и переменного токов и устройства  
для их реализации 
№ 
п. п. 
Название 
процесса 
Устройства,  
осуществляющие  
преобразование 
Род тока,  
из энергии  
которого  
выполняется 
преобразование 
Род тока,  
в энергию  
которого  
выполняется 
преобразование 
1 
Переменный 
Постоянный 
Выпрямление 
Выпрямительные  
устройства  
(преобразователи AC/DC 
(англ. ࣓ Alternating Current / 
Direct Current Converter)) 
2 
Постоянный 
Постоянный 
Преобразование 
постоянного тока 
в постоянный 
(стабилизация, 
преобразование) 
Стабилизаторы и  
преобразователи  
(преобразователи DC/DC 
(англ. ࣓ Direct Current /  
Direct Current Converter)) 
3 
Постоянный 
Переменный 
Инвертирование 
Инверторы  
(преобразователи DC/AC 
(англ. ࣓ Direct Current /  
Alternating Current  
Converter)) 
4 
Переменный 
Переменный 
Преобразование 
переменного тока 
в переменный 
(стабилизация, 
трансформация) 
Трансформаторы и  
стабилизаторы  
(преобразователи AC/AC 
(англ. ࣓ Alternating Current / 
Alternating Current  
Converter)) 
 
На рисунке 1.1 показана структурная схема современного двухканального 
источника электропитания радиотехнических устройств, построенного по бестрансформаторной схеме и использующего энергию промышленной сети переменного тока. Такие ИЭП часто называют сетевыми.  
9 

 
На выходе ИЭП на канале 1 формируется стабилизированное напряжение 
ܷ˅˞˘ постоянного тока, а на канале 2 - стабилизированный ток нагрузки ܫː.  
 
Рисунок 1.1 ࣓ Структурная схема современного двухканального ИЭП,  
построенного по бестрансформаторной схеме и использующего энергию  
промышленной сети переменного тока 
 
Напряжение ݑ௖ переменного тока питающей промышленной сети (как 
правило, со средним квадратическим значением напряжения равным 220 В и 
частотой ݂
௖ൌͷͲ Гц) подвергается последовательно соответствующим преобразованиям в помехоподавляющем фильтре ʣ˒˒, низкочастотном выпрямительном устройстве (НВУ), токоограничивающем резисторе (ТОР), корректоре коэффициента мощности (ККМ) и низкочастотном сглаживающем фильтре 
(НСФ). 
Затем выпрямленное и сглаженное сетевое напряжение подается на инвертор (Инв), на выходе которого формируется переменное напряжение, как 
правило, высокой частоты (݂ൌͳͲ ǥ ͳͲͲͲ кГц), которое затем преобразуется 
многообмоточным трансформатором (Тр-р). Он осуществляет не только преобразование напряжения, сформированного инвертором, но и гальваническую 
развязку нагрузки и сети.  
Напряжение с первого выхода трансформатора подается на последовательно включенные первое высокочастотное выпрямительное устройство 
(ВВУ1), первый высокочастотный сглаживающий фильтр (ВСФ1) и стабилизатор напряжения (СН). На выходе стабилизатора напряжения формируется требуемое (по количеству и качеству) выходное напряжение ܷ˅˞˘.  
Напряжение со второго выхода трансформатора подается на последовательно включенные второе высокочастотное выпрямительное устройство 
(ВВУ2), второй высокочастотный сглаживающий фильтр (ВСФ2) и стабилизатор тока (СТ). На выходе стабилизатора тока формируется требуемый (по количеству и качеству) ток нагрузки ܫː.  
Для реализации отрицательной обратной связи (ООС) сигналы с выхода 
СН и СТ подаются на инвертор, изменяя его импульсный (ключевой) режим 
работы. 
10