Zasilacz. Ze względu na sposób zmiany napięcia do wartości wymaganej przez zasilany układ najczęściej spotykane zasilacze można podzielić na:

Transkrypt

1 Układy zasilające Ryszard J. Barczyński, Politechnika Gdańska, Wydział FTiMS, Katedra Fizyki Ciała Stałego Materiały dydaktyczne do użytku wewnętrznego

2 Zasilacz Zasilacz urządzenie, służące do dopasowania dostępnego źródła energii elektrycznej do wymagań zasilanego urządzenia. Urządzenia elektroniczne najczęściej wymagają zasilania źródłem napięcia stałego, o określonych parametrach. Często znaczenie mają: stabilizowana wartość napięcia mieszcząca się w określonym przedziale odpowiednio niska impedancja wewnętrzna źródła napięcia zarówno dla przebiegów prądu stałego, jak i zmiennego odpowiednio niski poziom szumów i innych zakłóceń.

3 Zasilacz Ze względu na sposób zmiany napięcia do wartości wymaganej przez zasilany układ najczęściej spotykane zasilacze można podzielić na: zasilacze transformatorowe w których elementem dopasowującym napięcie z sieci energetycznej prądu zmiennego jest transformator, zasilacze beztransformatorowe zasilane z sieci energetycznej dopasowujące napięcie przy użyciu różnego rodzaju układów elektronicznych. przetwornice prądu stałego (zasilacze impulsowe), które są zasilane ze źródła prądu stałego (na przykład baterii, fotoogniw, wyprostowanego napięcia sieci itp). Przez odpowiednie elementy kluczujące wytwarza się przebiegi prądu zmiennego (zwykle o częstotliwości dużo większej niż w sieci energetycznej), które następnie trafiają do transformatora, a dalej następuje prostowanie, stabilizacja...

4 Zasilacz Ze względu stopień złożoności konstrukcji (która ma bezpośredni wpływ na na jakość napięcia wyjściowego) wyróżniamy: zasilacze stabilizowane w których napięcie utrzymywane jest na drodze elektronicznej na stałym poziomie, niezależnie od fluktuacji prądu obciążenia oraz napięcia wejściowego, zasilacze niestabilizowane w których napięcie na wyjściu może ulegać zmianie, zależnie od fluktuacji prądu obciążenia i napięcia wejściowego. Zasilacze budowane są jako laboratoryjne, przeznaczone do konkretnych urządzeń, czy w końcu zasilacze uniwersalne.

5 Zasilacz Schematy funkcjonalne zasilaczy. Transformator zapewnia separację galwaniczną od sieci energetycznej i odpowiednie napięcia wyjściowe zasilacza.

6 Zasilacz Najprostszy transformatorowy zasilacz prądu stałego, składa się z: transformatora zmieniającego napięcie zasilające (np. 230 V) na żądane napięcie prostownika (najczęściej pełnookresowego). prostego filtru w postaci kondensatora elektrolitycznego i niekiedy prostego stabilizatora. Popularne są zasilacze transformatorowe w obudowie zawierającej wtyk sieciowy, wkładane bezpośrednio do gniazda sieciowego.

7 Zasilacz impulsowy (przetwornica DC/DC) Napięcie sieci po wyprostowaniu (lub pochodzące ze źródła prądu stałego) jest kluczowane z wysoką częstotliwością, transformowane, a następnie prostowane (i ewentualnie stabilizowane)

8 Zasilacz impulsowy (przetwornica DC/DC) Zalety: separacja wyjścia od sieci energetycznej duża sprawność energetyczna małe wymiary dobra stabilność napięć wyjściowych i mały opór wewnętrzny Wady: złożone, generują duże zakłócenia wielkiej częstotliwości

9 Elementy zasilaczy - prostownik Podstawowe parametry prostownika to: sprawność energetyczna współczynnik tętnień napięcie na wyjściu w stosunku do napięcia na wejściu maksymalne napięcie wsteczne Prostownik jednopołówkowy (półokresowy). Rzadko stosowany ze względu na duże tętnienia i małą sprawność energetyczną

10 Elementy zasilaczy - prostownik W celu zmniejszenia tętnień, w obciążeniu prostownika stosuje się elementy reaktancyjne (częściej kondensatory), które magazynują energię w czasie gdy przez diodę płynie prąd i oddają ją do obciążenia gdy dioda jest spolaryzowana w kierunku zaporowym. W prostowniku z obciążeniem pojemnościowym (a w zasadzie pojemnościowo rezystancyjnym) przy odpowiednio dużej pojemności otrzymuje się na wyjściu napięcie zbliżone do wartości szczytowej napięcia wejściowego.

11 Elementy zasilaczy - prostownik Lepszymi parametrami charakteryzują się prostowniki dwupołówkowe. Prąd płynie przez obciążenie praktycznie przez cały czas, podczas obu półokresów napięcia wejściowego. Stosowane są dwie wersje: z podwójnym uzwojeniem transformatora oraz układ mostkowy (Graetza).

12 Prostownik mostkowy prostownik pełnookresowy W prostowniku mostkowym prąd przepływa kolejno przez pary diod prostowniczych.

13 Prostownik prostownik pełnookresowy z obciążeniem pojemnościowym Podobnie jak i w prostownikach półokresowych przeważnie stosuje się obciążenie w postaci kondensatora (pojemnościowo rezystancyjne).

14 Prostownik prostownik pełnookresowy z obciążeniem indukcyjnym Prostownik z obciążeniem indukcyjnym (a w zasadzie indukcyjno rezystancyjnym stosuje się obecnie rzadko, praktycznie wyłącznie w układach bardzo dużej mocy. Jego zaletą jest niewielka wartość szczytowego prądu płynącego przez diody.

15 Łączenie diod prostowniczych By zwiększyć maksymalne napięcie pracy prostownika diody łączy się szeregowo, a by dostarczyć większego prądu równolegle. Ze względu na duży rozrzut parametrów elementów półprzewodnikowych należy przy tym stosować rezystory wyrównujące.

16 Prostowniki sterowane Prostowniki sterowane zawierają tyrystory zamiast zwykłych diod prostowniczych. Zmieniając położenie impulsu wyzwalającego tyrystor względem czasu przejścia przebiegu wejściowego przez zero, można zmieniać wartość mocy przekazywanej do obciążenia. Układy takie są stosowane w układach zasilających wielkiej mocy, umożliwiając zmniejszenie napięcia wyjściowego się bez strat mocy.

17 Filtry W celu zmniejszenia tętnień napięcia między prostownik a obciążenie włącza się często filtr dolnoprzepustowy. Podstawowym parametrem takiego filtru jest współczynnik filtracji będący stosunkiem napięcia tętnień na wejściu do napięcia tętnień na wyjściu. Przy jego wyznaczaniu należy pamiętać, że podstawowa częstotliwość tętnień napięcia po prostowniku dwupołówkowym jest dwa razy większa od częstotliwości napięcia zasilającego prostownik.

18 Stabilizacja napięcia zasilania...przy zmianach napięcia sieci

19 Stabilizacja napięcia zasilania...przy zmianach prądu obciążenia

20 Stabilizatory napięcia...podział Impulsowe O działaniu ciągłym Równoległe Szeregowe

21 Stabilizatory napięcia - podstawowe parametry Podstawowe parametry stabilizatorów napięcia to: znamionowe napięcie wyjściowe (i dokładność jego określenia) zakres regulacji napięcia wyjściowego zakres zmian napięcia wejściowego zakres zmian prądu wyjściowego współczynnik stabilizacji S = ΔUwy/ΔUwe rezystancja wyjściowa

22 Stabilizator parametryczny na diodzie Zenera Najprostszym stabilizatorem napięcia jest układ z wykorzystaniem diody Zenera. Zmiany napięcia wejściowego ΔUwe pociągają za sobą zmiany prądu diody ΔID, to jednak nie pociąga za sobą dużych zmian napięcia wyjściowego ΔUwy, które pozostaje równe w przybliżeniu napięciu Zenera.

23 Stabilizator wtórnikowy z tranzystorem Układ został wzbogacony o tranzystor T pracujący w jako wtórnik emiterowy. Na wyjściu pojawia się napięcie równe UWY = UZ + UBE. Korzyścią z zastosowania tranzystora jest to, że można zwiększyć rezystor R bez konieczności zmniejszenia prądu wyjściowego, który wynosi IWY = IB (1+β). Układy takie stosuje się w praktyce do zasilania niezbyt wymagających urządzeń.

24 Stabilizator równoległy wtórnikowy z tranzystorem Również i ten układ zawiera tranzystor T pracujący w jako wtórnik emiterowy. Na wyjściu pojawia się napięcie równe UWY = UZ + UBE. Zaletą układu jest odporność na zwarcia, wadą niska sprawność energetyczna.

25 Stabilizator ze sprzężeniem zwrotnym Stabilizatory ze sprzężeniem zwrotnym są chyba najbardziej rozpowszechnionymi układami zasilającymi urządzenia małej i średniej mocy. Wszystkie stabilizatory liniowe ze sprzężeniem zwrotnym, składają się z następujących bloków: elementu regulacyjnego wzmacniacza błędu (najczęściej różnicowego) źródła napięcia odniesienia układu pomiarowego (próbkującego)

26 Równoległe stabilizatory napięcia W stabilizatorach równoległych element regulacyjny włączony jest równolegle z obciążeniem. Jego prąd jest zmieniany przez wzmacniacz błędu, by kompensować zmiany prądu obciążenia i wymuszać odpowiedni spadek napięcia na rezystorze Rs.

27 Równoległe stabilizatory napięcia Przykład: TL431

28 Szeregowe stabilizatory napięcia Zwane też kompensacyjnymi... W stabilizatorach równoległych element regulacyjny włączony jest szeregowo z obciążeniem. Jego prąd jest zmieniany przez wzmacniacz błędu tak, aby wymuszać odpowiednie napięcie na obciążeniu.

29 Szeregowe stabilizatory napięcia Zwane też kompensacyjnymi... Najprostszy układ z zastosowaniem wzmacniacza operacyjnego.

30 Szeregowe stabilizatory napięcia Zwane też kompensacyjnymi... Realizacja na elementach dyskretnych.

31 Stabilizatory napięcia Zabezpieczanie przed przepięciami Ważnym elementem stabilizatorów, szczególnie laboratoryjnych jest ich zabezpieczenie przed przepięciami (nadmiernymi napięciami) czy odwróceniem polaryzacji napięcia na wyjściu.

32 Stabilizatory napięcia Zabezpieczenie nadnapięciowe Stabilizator UZ U IN U OUT U GK Układ powodujący wyzwolenie tyrystora i zwarcie napięcia wyjściowego do masy w wypadku wystąpienia zbyt dużego napięcia na wyjściu.

33 Stabilizatory napięcia Regulowane zabezpieczenie nadnapięciowe Regulowany układ powodujący wyzwolenie tyrystora i zwarcie napięcia wyjściowego do masy w wypadku wystąpienia na wyjściu napięcia większego od nastawionego.

34 Stabilizatory napięcia Zabezpieczanie przed przeciążeniem Zabezpieczenie przed przeciążeniem chroni nie tylko sam stabilizator, ale także i zasilane urządzenia w przypadku przepływu prądu. Prezentowany układ jest dołączany do wyjścia stabilizatora. W przypadku przeciążenia tranzystor zaczyna przewodzić i wyzwala tranzystor przyspieszając przepalenie bezpiecznika.

35 Stabilizatory napięcia Zabezpieczanie przed przeciążeniem Zabezpieczenie przed przeciążeniem polegające na ograniczaniu prądu wyjściowego. Takie układy są często stosowane w zasilaczach laboratoryjnych. Ich wadą jest duża moc wydzielana na tranzystorze regulacyjnym w warunkach zwarcia na wyjściu.

36 Stabilizatory napięcia Zabezpieczanie przed przeciążeniem Zabezpieczenie przed przeciążeniem z cofającą charakterystyką zmniejszeniem prądu w warunkach zwarcia na wyjściu. Niestety, taki układ nie daje się łatwo zastosować w zasilaczu z regulowanym napięciem wyjściowym.

37 Trójkońcówkowe monolityczne stabilizatory napięcia

38 Trzykońcówkowe stabilizatory napięcia dodatniego z ustalonym napięciem Przykład : seria7800 trzy końcówki (wejście, masa, wyjście) Dwie ostatnie cyfry oznaczają napięcie wyjściowe Wbudowane zabezpieczenia termiczne i przeciwzwarciowe Series number Max. current A 78L ma 78M ma 78T00 3A Type number Output voltage V V V V V V

39 Trójkońcówkowe stabilizatory napięcia ujemnego z ustalonym napięciem Przykład : seria7900 trzy końcówki (wejście, masa, wyjście) Dwie ostatnie cyfry oznaczają napięcie wyjściowe Wbudowane zabezpieczenia termiczne i przeciwzwarciowe Type number Output voltage V V V V V V

40 Trzykońcówkowe stabilizatory napięcia Z ustawianym napięciem

41 Trzykońcówkowe stabilizatory napięcia Z ustawianym napięciem V out =V ref R2 I ADJ R2 R1

42 Trzykońcówkowe stabilizatory napięcia dodatniego z ustawianym napięciem o Przykład: LM317 o Napięcie ustalane dwoma rezystorami o VOUT w zakresie 1.2V to 37V o LM317 ma prąd maksymalny 1.5A o Zabezpieczenia termiczne i przeciwzwarciowe

43 Trzykońcówkowe stabilizatory napięcia ujemnego z ustawianym napięciem o Przykład: LM337 o Napięcie ustalane dwoma rezystorami o VOUT w zakresie -1.2V to -37V o LM317 ma prąd maksymalny 1.5A o Zabezpieczenia termiczne i przeciwzwarciowe

44 Trzykońcówkowe stabilizatory napięcia Przykłady zastosowań źródło prądowe U IN 1 LM ,22 µ F 2 R1 I OUT I OUT 5V = R 1

45 Trzykońcówkowe stabilizatory napięcia Przykłady zastosowań Śledzący stabilizator napięcia Układ o zwiększonym prądzie wyjściowym I O z zabezpieczenie przeciwzwarciowym RSC +U IN 1 U BE1 U = BE 2 R1 = I REQ I 1 β 1 I SC 78xx 3 I O = I RE G + β 1 ( I REG U BE 1 R1 ) 0,33µF 2 0,1µ F 6 COMMON 3 4,7kΩ + U O Układ wysokonapięciowy na wyjściu i wejściu T +U IN R 10kΩ xx 3 0,1µF 2 LS U I 3 0,33µF LS U O +U O 7 7 2N xx 4,7kΩ 0,1µ F COMMON Stabilizator regulowany 7 do 30V 1 +U O 3 0,33µF R1 +U IN 2 78xx BD534 2N6124 RSC 1 +U I U O = U XX + U Z 1 UZ2 0,33µ F 0,1µ F U Z1 +U O D

46 Uniwersalne stabilizatory napięcia Przykład: ua723

47 Uniwersalne stabilizatory napięcia Przykład: ua723 jako stabilizator napięcia V

48 Uniwersalne stabilizatory napięcia Przykład: ua723 jako stabilizator napięcia 2..7 V