Zasilacze i stabilizatory impulsowe

Transkrypt

1 Zasilacze i stabilizatory impulsowe Ryszard J. Barczyński, Politechnika Gdańska, Wydział FTiMS, Katedra Fizyki Ciała Stałego Materiały dydaktyczne do użytku wewnętrznego

2 Zasilacze i stabilizatory impulsowe Podstawowe zalety zasilaczy impulsowych: 1. Duża sprawność energetyczna (do 85% przy częstotliwości pracy khz i do 93% przy częstotliwości pracy MHz), 2. Możliwość uzyskania stosunkowo dużych mocy wyjściowych (kilka do kilkuset watów, a w układach mostkowych nawet kilku kw), 3. Małe rozmiary urządzeń, łatwość hermetyzacji, eksploatacja w warunkach chłodzenia naturalnego, 4. Łatwość transformacji napięcia zasilającego oraz możliwość uzyskania izolacji galwanicznej między źródłem zasilania a obciążeniem. Podstawowe wady : 1. Możliwość wytwarzania silnych zakłóceń radioelektrycznych, 2. Mniejsza niezawodność i trwałość niż zasilaczy o działaniu ciągłym, 3. Duża złożoność.

3 Zasilacze impulsowe o wyjściu nie oddzielonym galwanicznie od wejścia Beztransformatorowy zasilacz niestabilizowany napięcia stałego Impulsowy stabilizator napięcia stałego Prostownik Przełącznik Filtr w.cz. mostkowy tranzystorowy U Filtr w.cz. ~ z filtrem. w.cz.. U = Układ sterujący współczynnikiem wypełnienia. Filtr Wzmacniacz sygnału błędu. U REF Układ regulacji

4 Zasilacze impulsowe o wyjściu oddzielonym galwanicznie od wejścia Beztransformatorowy zasilacz niestabilizowany napięcia stałego Filtr w.cz. Prostownik mostkowy z filtrem. Przełącznik tranzystorowy w.cz.. Impulsowy stabilizator napięcia stałego Prostownik i filtr w.cz. Transfor- U ~ mator w.cz. U = Układ sterujący współczynnikiem wypełnienia. Filtr Wzmacniacz sygnału błędu. Układ regulacji U REF

5 Zasilacze impulsowe podział ze względu na zasadę działania Ze względu na zasadę działania zasilacze impulsowe możem y podzielić na: - jednotaktowe charakteryzujące się tym, ze w tej samej części okresu, w którym występuje magazynowanie energii w polu magnetycznym, zachodzi bezpośrednie przekazywanie energii ze źródła do obciążenia. Inaczej mówiąc przekazywanie energii do obciążenia odbywa się podczas włączenia klucza lub kluczy, - dwutaktowe charakteryzujące się tym, że energia ze źródła jest magazynowana najpierw w polu magnetycznym dławika (lub transformatora) w czasie przepływu prądu przez uzwojenie a następnie przekazywana do obciążenia dopiero po przerwaniu przepływu prądu. Inaczej mówiąc przekazywanie energii odbywa się przy wyłączonym kluczu lub kluczach.

6 Zasilacze impulsowe podział ze względu na zasadę działania Kryterium rodzaju modulacji przy regulacji (stabilizacji) napięcia wyjściowego: przetwornice z modulacją szerokości impulsów (PWM). Zmienia się położenie czasowe zbocza przedniego lub tylnego, względnie obu zboczy impulsu, w zależności od wartości chwilowej sygnału błędu, natomiast częstotliwość powtarzania impulsów (oraz amplituda impulsów) są stałe; przetwornice z modulacja częstotliwości (PFM). W tych przetwornicach sygnał błędu moduluje chwilową częstotliwość impulsów, czyli liczbę impulsów przypadających na jednostkę czasu przy zachowaniu stałej ich częstotliwości (i amplitudy).

7 Przetwornica dławikowa obniżająca napięcie stałe. U WY = δ U WE I WE I L L δ = t on t on t off 1 U WE U S C U WY Tranzystor spełnia rolę klucza, którego czasy włączenia t on i wyłączenia t off zależą od prostokątnego sygnału sterującego U s. Cewka indukcyjna gromadzi energię pola magnetycznego w czasie załączenia klucza t on i przekazuje ją do obciążenia R L w czasie t off. W chwili, gdy tranzystor przewodzi prąd dławika I L i tym samym prąd kolektora I C narastają (liniowo). Po upływie czasu załączenia t on tranzystor znajdzie się w stanie wyłączenia. Zgromadzona w polu magnetycznym energia indukuje SEM o odwrotnej polaryzacji i dioda D zaczyna przewodzić prąd do obciążenia. R L

8 Przetwornica dławikowa obniżająca napięcie stałe. U S U S I L γ T T t I L max I L γ T T t I L śr I L min t t I WE I WE t on t off t t on t off t Przebiegi napięć i prądów w przetwornicy obniżającej napięcie stałe (obciążenie nadkrytyczne). Przebiegi napięć i prądów w przetwornicy obniżającej napięcie stałe (obciążenie podkrytyczne).

9 Przetwornica dławikowa podwyższająca napięcie. U WY = U WE 1 δ δ = t on t on t off 1 U WE I L L U S I D D C R L U WY Energia jest gromadzona w indukcyjności, w czasie gdy tranzystor kluczujący jest stanie przewodzenia, a następnie przekazywana poprzez diodę do kondensatora filtrującego oraz obciążenia podczas wyłączenia tranzystora (przetwornica dwutaktowa). W układzie tym następuje sumowanie napięcia zasilającego oraz siły elektromotorycznej samoindukcji wytworzonej przez rozładowanie energii zgromadzonej w induktorze. Napięcie wyjściowe jest wyższe od wejściowego.

10 Przetwornica dławikowa zmieniająca polaryzację napięcia. I C T I L L U WY = δ U WE 1 δ U WE U S C U WY W pierwszej fazie magazynowania energii, przy włączonym tranzystorze T, napięcie U WE jest przyłożone do indukcyjności L i prąd w niej narasta liniowo. W tym czasie dioda D jest spolaryzowana zaporowo. W drugiej fazie, przy wyłączonym tranzystorze T, rozładowująca się indukcyjność przekazuje zgromadzoną w niej energię na wyjście układu. Część malejącego prądu i L indukcyjności płynie przez rezystancję obciążenia R L, a część ładuje wyjściowy kondensator C (poprzez przewodzącą diodę D), przy czym biegunowość napięcia wyjściowego jest przeciwna do biegunowości napięcia wejściowego. R L

11 Przetwornica transformatorowa jednotaktowa. D 1 I L L 4 R L U WE D 3 L 3 * * * L 1 L 2 D 2 C U WY U S C S D S R S

12 Przetwornica transformatorowa dwutaktowa. D 1 R L U WE L 1 * L 2 * C U WY U S C S D S R S

13 Typowy układ zasilacza impulsowego z separacją transformatorową D 2 L U we T D 1 C R 0 U 0 Wzmacniacz błędu U ster ε - + U odn układ jest stosowany bardzo często (na przykład zasilacze komputerowe) wszystkie elementy sprzężenia zwrotnego mogą być zawarte w jednym układzie scalonym umieszczonym po stronie wtórnej (niskonapięciowej)

14 Układ scalony μa723 w konfiguracji stabilizatora impulsowego parametry układu ustępują rozwiązaniom dedykowanym nadaje się do zastosowania gdy szybko musimy zbudować stabilizator o stosunkowo dużej sprawności.

15 Układ scalony μa723 w konfiguracji stabilizatora impulsowego

16 Specjalizowany układ scalony (przykład) LT1109 a) Vin k Ω R 1 Obudowa: TO39 Comparator 1,25V Reference A1 120 KHz Oscillator LT1109 Driver SW 2 T 1 1 Gnd b) 2 Cells 22µ H 2 SW LT1109 Out 1 Gnd 1 1N 5818 U O = 5V 100mA@ U = 3V 20 ma@ U I = 2 V 22µ F I

17 Specjalizowany układ scalony (przykład) MAX 848 a) OUT ON1 ON 2 REF GND CLK / SEL FB POKIN AINSEL AIN1 AIN 2 2, 25V + 1, 25V On REF Feedback and Power-Good Select RDY Feedback Start-Up Oscillator EN EN 3000 khz Oscillator ADC Q EN D EN OSC PFM / PWM Mode Q Q PFM/PWM Controller PCH 0, 25Ω NCH 0, 13Ω NLH MAX848 MAX849 POUT LX PGND POK DATA b) Input 0,8 5,5V A/D Channel 1 IN A/D Channel 2 IN A/D Channel Select A/D Output ON/OFF Control SYNC Input MAX 848 MAX 849 AIN1 AIN 2 AINSEL DATA ON1 ON 2 CLK / SEL POKIN LX OUT POUT POK FB REF GND PGND Output 3,3 V@200 ma (MAX849) 3,3 V@100 ma (MAX848) Voltage Monitor Output

18 Typ Producent Rodzaj konwertera DC-DC [V] w wersjach (x) [V] Max. prąd obciążenia [A] Max. prąd klucza Częstotl. kluczow. [khz] Zakres temp. C Obudowa LM2574-x National step-down 40 3,3; 5; 12; Semicod. Reg. 1,23 37 LM2575-x National step-down 45 U3,3; IN max 5; 12; 15; Semicod. Reg. 1,23 37 LM2576 National step-down 45 3,3; 5; 12; 15; Semicod. Reg. 1,23 37 LM2577 National step-up 3,5 40 Reg. max. 65 Semicod. LM2588 National flyback ,3; 5; 12; Reg. Semicod. MAX630 Maxim step-up 2 18,5 18 MAX1771 Maxim step-up 2 16,5 12; Reg. MAX738 Maxim step-down ,75 5,25 U O =0, DIP 8, SOIC 14 = TO220-5 I O = D, 936A 125 = TO220, TO I SW = TO220, TO263 I O 125 =0, DIP 8 I O = DIP 8 I O =0, DIP 8 MAX848 Maxim step-down 0,7 5, 3,3; Reg. 2,7 =0,8I Narrow SO 5 5,5 SW LT1074 Lin. step-down 7,3 40 Reg. 2,5 30 =5I - - TO220-5 Techn. SW L4962A ST- uniwersalny 50 5,1 40 =1,5 I DIL 16 Microel. SW L4970A ST- uniwersalny 50 5,1 40 =10I O MULTIWATT15 Microel. IRIS4007 Internatina uniwersalny 35 I O = 200 = TO220-5, TO262-5 l Rectifier I O 125 IRIS4015 Int. Rectif. uniwersalny 35 = 650 = TO I O I O