автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.17, диссертация на тему:Исследование и разработка экономичного импульсного источника питания, совмещенного с генератором строчной развертки в телевизионном приемнике

Введение

1. Анализ достижений в области разработки экономичных устройств питания телевизионных приемников

1.1. Общие положения.

1.2. Ключевые стабилизаторы

1.3. Импульсные источники питания, совмещенные с транзисторным генератором строчной развертки

1.4. Импульсные источники питания, совмещенные с тиристорным генератором строчной развертки

1.5. Особенности полупроводниковых приборов, используемых в генераторе строчной развертки и в импульсном источнике питания

Выводы

2. Исследование импульсных источников литания

2.1. Общие положения.

2.2. Исследование импульсного преобразователя прямого действия

2.3. Исследование импульсного преобразователя обратного действия

2.4. Способы уменьшения помех, излучаемых импульсными источниками питания, и их сравнительная оценка

Выводы

3. Исследование генератора строчной развертки, совмещенного с источником питания

3.1. Уточненный анализ работы выходного каскада генератора строчной развертки

3.2. Исследование схемы накачки энергии из источника питания в цепь формирования отклоняющего тока

3.3. Исследование энергетических характеристик выходного каскада генератора строчной развертки, совмещенного с импульсным источником питания.

Выводы.

4. Экспериментальные исследования импульсного источника питания, совмещенного с генератором строчной развертки

4.1. Цель и условия проведения эксперимента.

4.2. Схема испытательного стенда.

4.3. Результаты экспериментальных исследований.

4.4. Практическое использование результатов теоретических и экспериментальных исследований

Выводы.

. В последние годы в ряде прошшленно развитых стран возникла энергетическая проблема. Довольно остро сказывается нехватка энергии для промышленного производства и других нуад. В связи с этим возникают актуальные проблемы строжайшей экономии энергии вплоть до полной ликвидации ее потерь во всех видах и на всех стадиях ее производства и реализации.

Мощность, потребляемая бытовыми приборами, составляет заметную часть общего энергопотребления. Среди бытовых приборов одно из первых мест по энергоемкости занимает многочисленный парк телевизоров. Достаточно сказать, что для питания всех телевизоров требуется несколько крупных электростанций. Поэтому каждый процент экономии высвобождает значительные материальные средства, позволяет более разумно и эффективно использовать природные богатства.

В последнее время конструкторы телевизионных приемников уделяют большое внимание снижению энергопотребления телевизоров, а также повышению технико-экономических, эксплуатационных, качественных показателей. При этом все чаще задача решается комплексно, конструкторы стремятся обеспечить высокий уровень качественных показателей телевизионного изображения при минимальном энергопотреблении, снижения массы, размеров, стоимости, материалоемкости телевизора, а также максимально автоматизировать процессы настройки и регулировки и повысить стабильность работы отдельных блоков, удобство эксплуатации и ремонта.

Среди указанных технико-экономических показателей наиболее важным является энергопотребление телевизора. Это объясняется, во-первых, тем, что в настоящее время телевизионный парк потребляет весьма существенную мощность, а, во-вторых, возможностью практически без затрат улучшать выше приведенные техникоэкономические и эксплуатационные показатели телевизора при снижении энергопотребления.

В настоящее время парк телевизоров в Советском Союзе составляет примерно 80 млн. единиц [1,2 ]. Это различные модели черно-белых и цветных телевизоров. Судить об их энергопотреблении можно по усредненным данным, приведенным в таблице I.B. [ I].

Таблица I.B.

Данные по энергопотреблению телевизоровГруппы телевизоров Размер экрана по диагонали {СМ) мощность, потребляемая от сети переменного тока (Вт)Цветные стационарные телевизоры Черно-белые стационарные телевизоры Цветные портативные телевизоры Черно-белые портативные телевизоры 59.67 47.67 25.31 23.31 150.300 100.200 60.100 25.i30Учитывая примерное количество телевизоров, указанных групп в составе общего парка и данные по их энергообеспечению, можно считать, что среднее потребление мощности одного условного телевизора в настоящее время лежит в пределах 150.200 Вт. Отсюда следует, что суммарная мощность, одновременно потребляемая всем парком телевизоров, достигает внушительной величины 16 млн. кВт. Если предположить, что в среднем в течение суток один условный телевизор работает около трех часов, то суточное энергопотребление всего телевизионного парка составит 48 млн.кВт.ч., в результате годовое энергопотребление парка телевизоров составляет огромную величину около 18 млрд.кВт.ч.

Приведенные расчеты показывают, насколько актуальны вопросы снижения энергопотребления телевизоров, особенно в период объективного дефицита энергии. При этом острота актуальности этих вопросов со временем будет только возрастать, так как в век научно-технического прогресса трудно ожидать снижения общей потребности в энергии и, кроме того, тлеет место тенденция неуклонного увеличения парка телевизионных приемников, к тому же за счет наиболее энергоемких цветных телевизоров.

Исследования в области снижения энергопотребления телевизоров ведутся вот уже около двух десятилетий. При этом основное внимание уделялось разработке мер по повышению экономичности прежде всего мощных блоков телевизоров: генераторов развертки, оконечных каскадов видеоусилителей и усилителей низкой частоты, высоковольтных блоков и пр. В этом направлении достигнуты весьма значительные результаты [1,3].В значительно меньшей степени исследованы возможности повышения экономичности устройств питания телевизоров.

В Советском Союзе и за рубежом многие научно-исследовательские и конструкторские организации ведут интенсивные работы по созданию экономичных устройств питания телевизоров, обладающих высоким коэффициентом полезного действия.

Напомним, что традиционный блок питания, как правило, имеет коэффициент полезного действия (КПД) не более 50$ [ 5 ]. Такой блок (рис.1.В) обычно содержит силовой трансформатор, выпрямитель, стабилизатор компенсационного типа и выходной фильтр, сглаживающий пульсации постоянного стабилизированного напряжения €ст. При КПД 50% в самом блоке питания бесполезно рассеивается мощность, равная той, которая отдается в нагрузку. Так, при мощности, потребляемой схемой телевизора "Юность" от блока питания, равной 12 Вт, от сети переменного тока потребляется около 24 Вт [ 1,4 ]. Отсюда видна важность проблемы повышения КПД телевизионного устройства питания.

Рас. /. В. Структурная схема традиционного (Глока питанияСущественным недостатком традиционного устройства питания (рис.1.В) является также наличие громоздкого и дорогостоящего силового трансформатора, являющегося к тому же источником помех. Его присутствие в блоке питания существенно снижает технико-экономические показатели телевизора. Поэтому при разработке высокоэффективных устройств питания желательно избавиться от этого трансформатора. Неблагоприятной является также необходимость использования в фильтрах электролитических конденсаторов большой емкости из-за низкой частоты пульсации выпрямленного напряжения.

В течение последних лет конструкторами телевизоров разработан ряд идей схемного и конструктивного характера, направленных на повышение КГЩ устройств питания. К ним относятся ключевые стабилизаторы релейного типа и с широтно-импульсной модуляцией, не-стабилизированные и стабилизированные импульсные устройства питания, совмещенные устройства питания с элементами генератора строчной развертки на транзисторах и тиристорах. В первой главе диссертации дается анализ этих устройств.

На основе изучения современных достижений в области разработки экономичных телевизоров, и телевизионных приемников специального назначения можно выделить следующие направления решения вопросов повышения их экономичности:1. Углубленное теоретическое исследование процессов в существующих устройствах с целью выявления дополнительных возможностей снижения энергопотребления.

2. Разработка на базе теоретических исследований достаточно точных методик инженерного проектирования.

3. Разработка принципиально новых схемных и конструктивных решений повышенной эффективности.

4. Оптимизация режимов разрабатываемых устройств на основе комплексного подхода к решению задачи оптимизации.

5. Применение существующих и разработка новых радиоэлементов и узлов, обладающих параметрами, полностью отвечающими их функциональному назначению.

Основную цель диссертации можно сформулировать как исследование возможностей повышения экономичности источников питания телевизионных приемников. При этом она достигается путем реализации первого, второго и четвертого из указанных направлений, которые, в свою очередь, определяют частные задачи, подлежащие решению в диссертации. К ним относятся: выбор наилучших по комплексу показателей и наиболее перспективных схемных решений и принципов построения экономичного источника питания телевизора, всесторонние теоретические исследования выбранного варианта, оптимизация режимов его работы, необходимое уточнение процессов в существующих устройствах телевизора с целью эффективной стыковки с ним исследованного источника питания. Все перечисленные частные задачи решены в соответствующих главах диссертации.

В диссертации для решения основной и частной задач использованы теоретические и экспериментальные методы исследований. Теоретические методы базируются прежде всего на обстоятельном изучении и точном представлении физической сущности процессов, протекающих в исследуемых устройствах, в описании процессов с помощью дифференциальных уравнений и их решении с учетом всех необходимых параметров анализируемых схем.

В первой главе диссертации путем аналитического обзора существующих литературных источников произведена сравнительная оценка достоинств и недостатков различных схемных решений источников питания повышенной экономичности по сравнению с традиционным (представленном на рис. I.B). На основе этого анализа сформулированы конкретные задачи, требующие решения в диссертации. Результаты теоретического решения содержатся в двух последующихглавах и в основном определяют научную новизну проведенных исследований.

Во второй главе проведены систематические теоретические исследования двух принципов построения импульсных источников питания (ИНН) прямого и обратного действия. Получены необходимые выражения, описывающие ход процессов в ИИП двух типов, и произведен их сравнительный анализ по основным показателям. К новым результатам можно отнести также материал третьей главы, в которой произведен уточненный анализ работы выходного каскада генератора строчной развертки (ГОР), впервые детально описаны и рассчитаны процессы в ИИП, совмещенном с ГСР, теоретически исследованы его энергетические характеристики.

Четвертая глава посвящена экспериментальному исследованию построенного макета ИИП, совмещенного с ГСР. Результаты эксперимента подтвердили данные теоретических исследований и позволили сформулировать практические рекомендации для разработчиков телевизионных приемников. В случае внедрения полученных результатов реально можно снизить энергопотребление условного телевизора с 150-300 до 60-80 Вт, то есть в 2,5-4 раза.

Согласно поставленной цели в работе рассмотрены следующие вопросы, выносимые на защиту:- Анализ существующих устройств питания.- Результаты анализа двух типов преобразователей напряжения, исследуемых в ИИП, совмещенных с ГСР.-Уточненный анализ работы выходного каскада ГСР.- Анализ схемы накачки.- Энергетические характеристики ГСР.- Результаты экспериментального исследования.

Основные результаты диссертации обсуждены на заседаниях кафедры телевидения МЭИС, на IX научно-технической конференции,посвященной Дню Радио (Москва 1983 г.), на внутривузовских конференциях профессорско-преподавательского состава, сотрудников и аспирантов по итогам научно-исследовательских работ.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:1. Аиссани 3. Исследование эффективности источников питания телевизионных приемников. В кн.: Сборник тезисов докладов IX научно-технической конференции, посвященной Дню Радио. - Москва, 1983, с.82.

2. Аиссани 3., Бриллиантов Д.П. Экономичный генератор строчной развертки, совмещенный с импульсным источником питания.-Техника кино и телевидения, 1983, 10, с.59-61.

3. Аиссани 3., Бриллиантов Д.П. Экономичные устройства питания телевизионных приемников.-Техника кино и телевидения, 1984, № I, с.38-45.

4. Аиссани 3. Анализ работы выходного каскада генератора строчной развертки с параллельным питанием.-Техника кино и телевидения, 1984, J6 7, с.39-41.

Основные результаты диссертационной работы сводятся к следующему :

1. В результате обзора схем ТВ приемников установлено, что в настоящее время в них в основном используются традиционные устройства питания с силовым трансформатором, при этом КПД этого устройства не превышает 50$ . В соответствии с приведенными расчетами годовое энергопотребление парка ТВ приемников в Советском Союзе составляет весьма существенную величину - около 18 млрд. квт.ч. При этом почти половина этой мощности бесполезно рассеивается в устройствах питания этих телевизоров.

2. Установлено, что путем использования ключевого режима в стабилизаторе можно увеличить КПД традиционного устройства питания до 60.70$ . Однако в целом устройство литания с ключевым стабилизатором остается малоэффективным из-за наличия громоздкого и дорогостоящего трансформатора.

3. В результате анализа современных ИИП установлено, что практически используются два типа совмещенного устройства питания и развертки а) ИИП, совмещенные с тиристорным ГСР, б) ИИП, совмещенные с транзисторным ГСР.

Существует три варианта совмещенного питания и развертки на тиристорах, они отличаются практически лишь способом развязки от питающей сети (с помощью входного, коммутирующего или строчного трансформатора). Существенным недостатком совмещенных схем питания и развертки на тиристорах является необходимость использования в них большого количества развязывающих трансформаторов (до 6 штук). Большие токи в схеме способствуют возникновению помех, которые искажают изображение на экране телевизора в виде вертикальных линий, к тому же КПД этих устройств питания не превышает 75.80$ .

Существуют несколько вариантов ИИП, совмещенного с транзисторным ГСР.

- Нестабилизированная схема с непосредственным питанием (неизолированная от питающей сети) относительно проста, однако в ней не обеспечивается стабилизация питающих напряжений, а также изоляция от сети; к тому же устройство имеет сравнительно низкий ШД, который не превышает 65$;

- стабилизированная схема литания, не изолированная от сети, отличается от первого варианта лишь обеспечением стабилизации питающих напряжений;

- стабилизированная совмещенная схема питания и развертки с развязкой от питающей сети, в которой для обеспечения стабилизации питающих напряжений используется метод ЧИМ или ШИМ. Схема этого варианта хотя несколько усложняется по сравнению с двумя предыдущими вариантами, однако имеет относительно высокий КПД 80.85$ .

4. Выяснено, что использование ИИП, совмещенных с ГСР, позволяет снизить массу, размеры устройства питания в 2.3 раза и повысить его КПД на 30$ по сравнению с традиционным устройством питания.

5. Проведенный анализ существующих совмещенных устройств питания и развертки, а также соответствующих литературных источников показывает на отсутствие детального теоретического исследования этих устройств. Поэтому были проведены более углубленные теоретические исследования этих устройств.

6. В результате теоретического анализа двух типов преобразователей напряжения (прямого и обратного действия), используемых в ИИП, найдены простые и достаточно точные выражения для расчета параметров этих преобразователей. При этом показано, что если в телевизионном приемнике требуется развязка от питающей сети, то в качестве преобразователя напряжения необходимо использовать принцип обратного действия. Если не требуется изоляция от сети (что противоречит технике безопасности), то целесообразно применять преобразователь прямого действия.

7. Показано, что с учетом реальных потерь в выходном каскаде ГСР, а также действия основных элементов этого каскада ток в отклоняющих катушках изменяется по косинусоидальному закону, определены выражения для отклоняющего тока соответственно в первой и второй половине прямого хода развертки, найдена длительность первой половины прямого хода развертки, что позволяет выбрать оптимальный режим управления выходным каскадом (наилучшей линейности отклоняющего тока, минимального энергопотребления). Определенные аналитические выражения для тока и напряжения на основных элементах схемы, что позволяет рассчитать потери мощности на этих элементах с необходимой точностью.

8. Исследованы процессы в схеме накачки энергии из источника питания в выходной каскад ГСР. Определены выражения для относительной длительности (Sмакс , $Мин ) включения регулируемого элемента в цепи стабилизации соответственно при уменьшении и увеличении напряжения питающей сети от своего номинального значения. Найдено выражение для расчета коэффициента пульсации напряжения на накопительном конденсаторе.

9. На основе проведенного теоретического анализа разработана методика расчета потерь мощности в совмещенной схеме ГСР и ИИП.

10. Практически разработан совмещенный ИИП с ГСР, блок питания которого имеет КПД около 90$.

II. Произведены экспериментальные испытания созданного для этой цели макета устройства совмещенного питания и развертки. Результаты эксперимента подтверждают основные положения теоретического анализа.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Бриллиантов Д.П. Энергопотребление ТВ приемника. Техника кино и телевидения, 1981, J£ 2, с.45-47.

2. Добровольский Е.Е. Развитие и совершенствование радиосвязи, радиовещания и телевидения. М.: Связь, 1979. 104 с.

3. Бриллиантов Д.П. Экономичные генераторы ТВ развертки. М.: Радиосвязь, 1982. - 272 с.

4. Бриллиантов Д.П. Портативные телевизоры. Серия Юность. М.: Связь, 1979. - 113 с.

5. Бриллиантов Д.П. Портативные черно-белые телевизоры. М.: Связь, 1979. 184 с.

6. HARTMAN U., HOFMANN Н. SELBSTREGELNDE TRANSISTOR -HORISONTALABLENKSCHALTUNG FUR FARBPORTABLeS.-FUNKSHAU\ VOL . 1B, 1977. P.P. 835-840.

7. Техническое проектирование. Отчет Днепропетровского телевизионного завода. Шифр тождество, 1980. - 230 с.

8. HOWARD М. MOORE STOWN N. У. REGULATING TELEVISION HORiSONTAL DEFLECTION ARRANGEMENT. USA PATENT 4,176,304, NOK 27, /97$.

9. PEGLAN H. SHALTNETZT/EE FUR FORBFSCHEMPFANOER. -FUNKSHAU, 1971, №3, P.P. 23-36.

10. Пюрре И. Новый экономичный выключатель тока для телевизора.

11. Перевод с финского. 0507. ELEKTRONIKA ? VOL.339 19ВО, Л/2 1, P.P. 34-35.

12. LUZ D.Z. POWER SUPPLY AND DEFLECTION CIRCUIT WITH RASTER SIZE COMPENSATION . USA , PATEN7 4, 298,829, NOV. J, 1961.

13. LUZ D.Z.y WILLIS D. DEFLECTION AND POWER SUPPLY CIRCUIT WITH REDUCED START• UP DRIVE. USA PATENT N2 4,282,460, AUG.,1981.

14. WILLIS D. HORIZONTAL DEFLECTION CIRCU/T WITH HIGH VOLTAGE SELECTION CAPABILITY. USA PATENT 4, 101, 815 , JUL. 16, 1978.

15. INTERNATIONAL STANDARD ELECTR/C CORPORATION. TV RECEIVERS POWER SUPPLY. ENGLAND

16. PATENT 158 9832, MAY. 20 , 1981.

17. AMARO D. VOLTAGE REGULATOR. USA PATENT 4, 318, 037 , MAR . 2, /552.

18. Z>/frZ V. Stf/* DEFLECTION SYSTEM TO ACHIEVE POWER LINE ISOLATION.-IEEE TRANSACTIONS ON CONSUMER ELECTRONICS. MAY ^ 1976y P.P. 119-125.

19. DIETZ W. NULTY T. COMPARISON OP TRANSISTOR AND SCR DEFLECTION CIRCUITS FOR COLOR TELEVISION.- IEEE TRANSACTIONS ON CONSUMUR ELECTRONICS, NOV. 1976 , P.P. 357-366.

20. Горюнов H.H. Полупроводниковые приборы. Справочник. M.:1. Энергоиздат, 1982. 903 с.

21. Самойлов В.Ф. Транзисторные генераторы телевизионной развертки. М.: Связь, 1969. - 160 с.

22. MATSUDA И., K1MURA М. SWITCHING REGULATOR FOR COLOR TELEVISION RECEIVER NEW NIPPON ELECTRIC TECHNICAL REVIEW. T. 13, N9 20, 1980, P.P. 208-216.

23. MATSUDA H. HARADA K. POWER SUPPLY SYSTEM OF TV RECEIVERS REGULATED WITHIN THE RETRACE INTERVAL . MEMORIES OF THE FACULTY OF EN6/NERIN6, KYUSHU UNIVERSITY, VOL, 35, Ns 3, FES. 1976,P.P. 75-85.

24. SHAIK 6. AN SM PS WITH OUT MAINS ISOLATION FOR TV RECEIVERS." MULLARD TECHNICAL COMMUNICATIONr9 N2 137 } JUM. 1978, P.P. 245-259.

25. FUENTES DE ALIMENTATION COMMUTADAS EN RECEP -TORES DE TV. C/RCU/TOS S/N AISLAMIENTO DE RED.-REVISTA MINIWATT, VOL.17Ns5} 1978, P.P. 163-184.

26. SCHAIH 6. V. INTRODUCTION TO SWITCHED MODE POWER SUPPLIES IN TV RECEIVERS. - MULLARD

27. TECH/CAL COMMUNICATIONS, N% 135 p JULY, 1977,1. P.P. 181 194.

28. Зернов Н.В., Карпов В.Г. Теория радиотехнических цепей. -Л.: Энергия, 1972. 816 с.

29. FUJIMURA Т., MAR U YAM А 7*., UMEHARA /С. WIDE-RANGE AND HIGH EFFICIENCY SWITCHING POWER SUPPLY FOR COLOR TV. RECEIVERS. IEEE TRANS. ON CONSUMER ELECTRONIC S VOL. CE-24, Ni3t AUGUST 1976, p.p.w-w.

30. HETTERSCHE/D W., SCHAIK G.V, POWER SUPPLY SYSTEM FOR COLOR TELEVISION RECEIVERS. IEEE TRANS. ON BTR. VOL . ВТ R-1S, Hi 2, P.P. 203 - 212 .

31. Самойлов В.Ф., Хромой Б.П. Телевидение. М.: Связь, 1975. - 399 с.

32. Бриллиантов Д.П. Проектирование эффективных систем магнитного отклонения. М.: Связь, 1975. - 248 с.

33. ГОСТ 5237-69. Установки электропитания аппаратуры связи, напряжения.

34. Ельяшкевич С.А. Унифицированные цветные телевизоры блочно-мо-даьной конструкции УПИМЦТ-61-П. М.: Связь, 1979. - 128 с.

35. Ромаш Э.М. Источники вторичного электропитания радио-электронной аппаратуры. М.: Радио-связь, 1981. - 224 с.

36. Алексеев О.В., Китаев В.Е., Шихин А.Я. Электротехнические устройства. М.: Энергоиздат, 1981. - 336 с.

37. Бриллиантов Д.П. Расчет и проектирование портативных транзисторных телевизоров. М.: Связь, 1971. - 311 с.

38. Бронштейн И.Н., Семендяев К.Н. Справочник по математике. М.: Наука, 1980. - 975 с.

39. Атабеков Г.И. Основы теории цепей»- М.: Энергия, 1969, 424 с.

40. Куликовский А.А. Справочник по радиоэлектронике. т.1, М.: Энергия, 1978 . - 640 с.

41. Шмаков П.В. Телевидение. М.: Связь, 1979. - 432 с.

42. ГОСТ. 2.721-74. 2.758-81.- 8 л. Обозначения условные графические в схемах. М.: 1983.

43. Аиссани 3., Бриллиантов Д.П. Экономичный генератор строчной развертки, совмещенный с импульсным источником питания.- Техника кино и телевидения, 1983, J6 10, с.59-61.

44. Аиссани 3.,Бриллиантов Д.П. Экономичные устройства питания телевизионных приемников. Техника кино и телевидения, 1984, № I, с.38-45.

45. Аиссани 3. Исследование эффективности источников питания телевизионных приемников. В кн.: Сборник тезисов докладов IX научно-технической конференции, посвященной Дню радио.1. М.: 1983. с.82.

46. Аиссани 3. Анализ работы выходного каскада генератора строчной развертки с параллельным питанием, Техника кино и телевидения, 1984, Л 7, с.39-41.