Zasilacze: - prostowniki, - filtry tętnień, - stabilizatory o pracy ciągłej.

Transkrypt

1 Zasilacze: - prostowniki, - filtry tętnień, - stabilizatory o pracy ciągłej.

2 Główne parametry transformatora sieciowego Moc (jednofazowe do 3kW) Znamionowe napięcie wejściowe (np. 230V +10% -10%) Częstotliwość pracy (np. 50Hz) Napięcie i prąd wtórny (lub przekładnia) Prąd biegu jałowego Napięcie izolacji Ciężar, wymiary Temperatura pracy

3 odzaje transformatorów sieciowych dzenie typu E, zwijane, toroidalne Materiał rdzenia Blachy gorąco walcowane Blachy zimnowalcowane

4 Związek mocy z wymiarami S[cm 2 ]@P[W] Blacha/dzeń B max [T] S1,25 P S1,1 P S P 1 S 0.8 P Blacha gorącowalcowana dzeń E Blacha zimnowalcowana dzeń E Blacha zimnowalcowana dzeń zwijany Blacha zimnowalcowana dzeń toroidalny 1T 1.1T 1.5T 1.6T

5 Transformator [Voltów / zwój] z 2 f B max S

6 Orientacyjna sprawność transformatorów /n 1 P 2 /P 1 10 / [VA] moc znamionowa

7 Transformatory

8 Model transformatora Transformator rzeczywisty ezystancja uz. pierwotnego nd. rozproszenia uz. pierwotnego Transformator idealny nd. rozproszenia uz. wtórnego n:1 n:1 Pojemność uz. pierwotnego ezystancja strat rdzenia nd. Główna transformatora ezystancja uz. wtórnego Pojemność międzyuzwojeniowa Pojemność uz. wtórnego

9 Model uproszczony transformatora dla małych częstotliwości Transformator idealny nd. rozproszenia uz. wtórnego i pierwotnego ezystancja uz. wtórnego i pierwotnego nd. Główna transformatora

10 Model uproszczony transformatora uz. pierwotneg o szeregowe 2 uz. wtórnego n sk 10% 230V 10% sk. sieci ( t) 2 sin( t) n

11 odzaje prostowników

12 Prostownik jednopołówkowy zasada działania n:1 n:1

13 Prostownik dwuopołówkowy n:1 n:1 n:1 n:1

14 Prostownik mostkowy zasada działania n:1 n:1

15 Prostowniki obciążenie rezystancyjne Przez transformator płynie prąd stały!!! Prąd i napięcie na obciążeniu śr 2 E śr śr E sk sk rezystancyjnym 0 2 sk 2 2 śr E sk śr śr 0 sk E sk

16 Prostownik jednopołówkowy wy ( t ) exp max t wy C0 s E sk 0 C + C D Q 1 = Q 2 bo wy const Θ;ΔT T=20ms=1/f=1/50Hz

17 Podstawowe zależności dla prostownika jednopołówkowego Wyjściowe napięcie szczytowe (biegu jałowego tzn. bez obciążenia): 2E 2E wy. max. jał. sk D sk Napięcie tętnień (międzyszczytowe) : t Q C wy.max 0 T C wy.max f C 0 wy. śred f C Te zależności trzeba umieć wyprowadzić!

18 Prostownik dwupołówkowy wy ( t ) exp max t wy C0 E sk s 0 E sk C + C s D Q 1 = Q 2 bo wy const Θ;ΔT T=20ms=1/50Hz

19 Podstawowe zależności dla prostownika dwupołówkowego Wyjściowe napięcie szczytowe biegu jałowego : wy.max. jał. 2E sk D Dla mostkowego: Napięcie tętnień : 2E 2 wy. max sk D t Q C WySr C T 2 WySr 2 fc Te zależności trzeba umieć wyprowadzić!

20 Prąd szczytowy włączania surge current s wy E sk 0 E sk s C φ D Dmaxmax Θ Dmax max 2E sk S T=20ms=1/50Hz

21 Główne parametry Dane: E sk = sieci /n (przekładnia) S rezystancja szeregowa transformatora D spadek napięcia na diodzie Parametry do obliczenia wy.sk. ; wy.śr. ; wy.max. ; wy.min. ; tętnień. ; diody d.śr. ; d.sk. ; d.max. ; wy.śr Θ;ΔT kąt przepływu; czas przewodzenia k t = tętnień / wy.śr. - wspólczynnik tetnień u = wy.śr /E sk wsp. wykorzystania napięcia

22 Projektowanie prostownika diagramy Schade go [J. Baranowski, G. Czajkowski; kłady elektroniczne. Cz. WNT 2004] [T. Zagajewski; kłady elektroniki przemysłowej, WKŁ 1978]

23 Współczynnik szczytu i kształtu CF MAX MS Crest Factor współczynnik szczytu Dla sinusa = 1,41= 2 FF MS AV waveform Factor współczynnik kształtu Dla sinusa = 1,11=π/2 2

24 Projektowanie prostownika diagramy Dskuteczny / dśr = FF n liczba faz (1,2,3,6)

25 Projektowanie prostownika diagramy Dmax / dśr =CF*FF n liczba faz (1,2,3,6)

26 Projektowanie prostownika diagramy kąt przepływu Θ i kąt początkowy φ

27 Gdy C rośnie Zależności dla ω 0 C>>1 i 0 >> s Maleją tętnienia ~1/nfC 0!!!! Maleje kąt przepływu ośnie prąd szczytowy diody ośnie prąd skuteczny diody i transformatora (grzeje się)

28 Moc tracona w diodzie P T T D. czynna ud( t) id( t) dt id( t) T T 0 0 D. szer. dt D D. śr 2 D. sk. D. szer. P czynna 2 D. 0.7V 1A (3A) W 0. 9W

29 Projektowanie prostownika diagramy Dskuteczny / dśr =FF n liczba faz (1,2,3,6)

30 C dla uzyskania jednakowych tętnień Porównanie zasilaczy Jedno-wy Dwu- wy Mostkowy C wymax 1 t f 0 ½(..) ½(..) Prąd maksymalny diody (i skuteczny) duży mniejszy mniejszy Napięcie wsteczne diody 2E max 1(..) ½(..) Zawartość harmonicznych prądu w sieci duża; Wszystkie- w tym DC??? duża; nieparzyste duża; nieparzyste

31 Projektowanie prostownikow [Tietze, Schenk] Tet / Wysr <10% Napięcie biegu jałowego Napięcie średnie Napięcie wsteczne diody Średni prąd diody Szczytowy prąd diody Napięcie tętnień Napięcie minimalne Jednopołówkowy Mostkowy Dwupołówkowy WyMax 2Esk D WyMax 2Esk 2 D WySr WyMax 1 2 Dmax Dmax 2 E sk s L WySr WyMax 2E Dmax Dsr Osr Dsr Osr WySr 1 WySr Tet 4 WyMin fc WySr S S O 2 3 O Tet Dmax Tet WySr WyMax 2E sk s 1 s WySr WyMax 1 2L 2L sk S WySr 1 S 4 fc 2 WyMin 2 O WySr 2 3 O Tet 2 Dmax 2E Dmax 1 Dsr 2 WySr Osr sk 2 Tet S WySr 1 S 4 fc 2 WyMin 2 O WySr 2 3 D O Tet

32 Współczynnik szczytu i kształtu CF MAX MS Crest Factor współczynnik szczytu Dla sinusa = 1,41= 2 FF MS AV waveform Factor współczynnik kształtu Dla sinusa = 1,11=π/2 2

33 Prąd skuteczny impulsów prądowych 1A 2A 1A 1A śr 1A śr T 2 sk i ( t) dt 1 1 T 1 T 0 A T 2 sk i ( t) dt 2 0 CF 1; FF 1; A 4A CF 2; FF 2; 1A T 1A śr T 1 2 sk i ( t) dt 2A T 0 CF 2; FF 2;

34 Prąd szczytowy włączania surge current wy E sk s 0 E sk C s D max 2E sk S T=20ms=1/50Hz

35 Zniekształcenia prądu sieci energetycznej. Norma EC555 wy D T=20ms=1/50Hz

36 Zniekształcenia prądu sieci energetycznej. Norma EC555 Zawartość harmonicznych ( do 40 harmonicznej) Fluktuacje napięcia związane z regulacją obciążeń Prąd włączania (?)

37 Zniekształcenia prądu sieci energetycznej. Współczynnik mocy W P czynna A sk Obciążenie Sieć 230V(±10%) 50Hz V sk P czynna sk sk 1 W VA W War

38 sk =230V; max =325V Współczynnik mocy przykład 325V 5A 20ms MS 1 P MS 2ms P T sk i dt 2 T 1 T 0 T 1 20ms 5A 2 2ms 2, A 4ms u( t) i( t) dt 320V 5A 20ms czynne W Przy takim prądzie =1 P czynna sk sk 320W 230V 2,2A 0,63 W W VA War

39 Współczynnik mocy dlaczego powinien być 1 MS 1 P MS 1 P T T 0 u( t) i( t) dt MS MS P strat P MS MS ,63 2 2,52

40 Filtry indukcyjno - pojemnościowe wy D L 0 C Skutki: Polepszenie filtracji zmniejszenie tętnień Znaczne Zmniejszenie zawartości harmonicznych Dla L>L kr kąt przepływu prądu jest pełny L L krytyczne 0 3 Większy koszt Dławik musi być duży ze względu na jego nasycanie

41 Symetryczny podwajacz napięcia (Delona) E sk S C 0 C

42 Nie symetryczny podwajacz napięcia (Villarda) S E sk C C 0 E max E max E max 2E max E max

43 Przykład Transformator z dużym rozproszeniem jako dławikiem, co wygładza i stabilizuje prąd Podwajacz napięcia Podwajacz napięcia!!!

44 Przykład Transformator z dużym rozproszeniem jako dławikiem, co wygładza i stabilizuje prąd Podwajacz napięcia

45 Przykład Transformator z dużym rozproszeniem jako dławikiem, co wygładza i stabilizuje prąd Podwajacz napięcia Kuchnia mikrofalowa!!!

46 Powielacze napięcia niesymetryczny i symetryczny (sposób działanie do samodzielnego przemyślenia) C 2n( n 2) f 0 wy. śr n 2E sk t t wy. śr fc n 3 1 n 2 1 n 6 t wy. śr fc n 6 1 n n

47 Główne zagadnienia Transformator (parametry, rodzaje, schemat zastępczy) Główne rodzaje prostowników Praca z obciążeniem rezystancyjnym Obciążenie pojemnościowe (cechy charakterystyczne dla różnych rodzajów prostowników) Zniekształcenia wnoszone do sieci przez zasilacze główne zadania normy EC555 Zasilacze z filtrem indukcyjno-pojemnościowym Powielacze napięcia (schematy, zasada działania)

48 Zasilacze: - prostowniki, - filtry tętnień, - stabilizatory o pracy ciągłej.

49 Stabilizator prądu, napięcia Napięcie niestabilizowane o E(t) STABLZATO o Napięcie / prąd stabilizowany

50 Parametry stabilizatorów liniowych napięcia (prądu) Napięcie wyjściowe Zakres napięć wejściowych Prąd wyjściowy maksymalny i znamionowy Prąd zwarcia Zakres temperatury pracy Sprawność energetyczna Prąd wyjściowy Dopuszczalny spadek napięcia (maksymalny i minimalny) Napięcie rozwarcia Zakres temperatury pracy Sprawność energetyczna

51 Podstawowe parametry stabilizacyjne stabilizatorów liniowych napięcia t t T T E E o o o o o o o Niestabilność od nap. zasilania Niestabilność od obciążenia (dynamiczna rezystancja wyjściowa) Niestabilność od temperatury Niestabilność długoterminowa

52 Wsp. stabilizacji ( charakterystyka wyjściowa jest do zapamiętania) 0 Prawidłowy obszar pracy Δ 0 fold-back 0min o max 0 min 0max wyjsciowa

53 Wsp. stabilizacji ( charakterystyka przejściowa jest do zapamiętania) 0 Δ 0 0min Prawidłowy obszar pracy E min E min o min DOPOT E o E max E max 0 E min

54 Podstawowe parametry stabilizacyjne stabilizatorów liniowych prądu t t T T E E o o o o o o o Niestabilność od nap. zasilania Niestabilność od obciążenia (dynamiczna kondunktancja wyjściowa) Niestabilność od temperatury Niestabilność długoterminowa

55 Stabilizatory parametryczne (napięcie zależy od parametru przyrządu półprzewodnikowego) Warystor C

56 Stabilizatory parametryczne (napięcie zależy od parametru przyrządu półprzewodnikowego) S 0 Dioda Zenera E(t) S Z Z 0 Zmin E(t) r Z Z Zmax

57 Projekt diody Zenera s E(t) Z 0 =0 E Z Z =E/ S dla O =0

58 Projekt diody Zenera wsp. stabilności od obciążenia S 0 Δ o E(t) o + Δ o Z o E Δ Z = -Δ o o o o o r z o

59 Projekt diody Zenera wsp. stabilności od zasilania S 0 ΔE Δ o E(t) o Z E+ΔE E o E o E r z r z S E

60 Projekt diody Zenera dobór S S 0 E(t) Z o E Zmin E/ S - s duże E/ S - s małe Zmax

61 Projekt diody Zenera dobór S Z + Zmax r z S 0 E max E min Z Omax E(t) Z Omin =0 Zmin S E min Omax Z Z min Zmax P Zmax S E max ( Z Z max rz ) Omin Z max

62 Zasilacz z diodą Zenera wady i zalety S 0 E(t) Z - Wymagana duża różnica E- o (wtedy S jest dostatecznie duże i stabilizacja skuteczna) - Duże straty mocy P strat = (E- o )( Z + o ) + Z Z - Duże szumy diody!!!!!! - Mała wydajność prądowa ( Zmax - związane z mocą diody) - Słaba stabilność temperaturowa

63 Parametry diod Zenera t t T T E E o o o o o o o t t T TW r E r r Z Z Z o z S z z o ) ( Wymagane duże S, a więc duże E- o Stabilność czasowa Z, = [1/1000h]

64 Dioda Zenera o zwiększonej mocy Z = Z + BE

65 Stabilizator wtórnikowy S może być duże t t T T TW r E r r Z BE Z Z o z S z z o ) ( o = Z - BE S

66 Stabilizator równoległy i szeregowy Z O O Z O Z o o Z Mniejsze straty mocy

67 Źródła odniesienia Diody Zenera Kompensowane diody Zenera Scalone diody Band gap ( napięcie baza emiter kompensowane termicznie ) Termostatowane źródła odniesienia

68 Dioda Zenera kompensowana termicznie ( TW Z ) Z 2mV / K dla Z 69V BE 2 mv / K T TW Z 0 Z =6 9V Wymagany jest stały prąd bo współczynniki termiczne diody Zenera i diody zależą od prądu

69 Dioda Zenera kompensowana termicznie przykład O Z BE

70 [mv/k] d D dt jako funkcja prądu diody (slajd z wykładu elementy) idealna rzeczywista (wpływ rezystancji szeregowej s ) [ma]

71 Diodowy czujnik temperatury (slajd z wykładu 1 elementy) D1 +VCC D2 D D S exp 1 nt T kt e D1 T D2 T D2 D1 n T ln D2 D1 d dt T nk e ln D2 D1

72 Źródło odniesienia band-gap (przerwa energetyczna) 2 2 BE 2 3 T EF 2 3 BE EF k n e 2 3 BE1 ln BE k n e BE 2 ln BE BE 3 kt n e E T ln BE 3 GO 2 1 E T 3 GO T 3 T BE EF 1,25V nne odmiany 2,5V i inne

73 Band-gap 2,5V EF 2,5V nne odmiany są możliwe

74 Źródła odniesienia Diody Zenera Kompensowane diody Zenera Scalone diody Band gap ( napięcie baza emiter kompensowane termicznie ) Termostatowane źródła odniesienia

75 Źródła odniesienia (przykłady)

76 Stabilizatory kompensacyjne Element regulujący Element pomiarowy 1 k ref O 1 1 EF 2 Wzmacniacz błędu 2 Źródło odniesienia 1 O k dla k 1 2

77 Najprostszy stabilizator kompensacyjny szeregowy 1 k ref Z 2

78 Stabilizator kompensacyjny O EF 2 EF 2

79 Stabilizator kompensacyjny 2 EF O EF 1 2

80 Typowe układy zabezpieczeń Zab. przed ujemnym napięciem Zab. termiczne Zab. przed wstecznym napięciem na wyjściu Zab. przepięciowe i przeciwnej polaryzacji na wyjściu

81 Elementy stosowane do zabezpieczeń Elementy zabezpieczające: dioda, dioda Zenera, transil (jedno- lub dwustronny), triak (tyrystor), skrownik próżniowy, bezpiecznik topikowy (szybki lub zwłoczny), bezpiecznik półprzewodnikowy (PTC), nne

82 E kład zabezpieczenia prądowego (najprostszy?) Pmax E Omax O O O Omax Omax BE 0,7V

83 kład zabezpieczenia prądowego (fold-back) E E O Ozwarcia 2 1 Omax Pmax E Ozwarcia = O O O 1 stąt O max gdy : Ozwarcia O max 1 O O 1 BE BE 1 O max BE 1 2 O

84 Stabilizatory kompensacyjne μa723 - schemat b. uproszczony Tranzystor dużej mocy Ograniczenie prądu zwarcia (fold-back) Ogranicznik prądu egulacja napięcia

85 Stabilizatory trzykońcówkowe o stałym napięciu 78xXX Δ +E o 1 3 Vin Vout GND 2 O [V]=(XX) 3,3 5 5, ,

86 Stabilizatory trzykońcówkowe o stałym napięciu 79xXX Δ -E 2 3 -o Vin Vout GND 1 O [V]=(XX)

87 Stabilizatory trzykońcówkowe o stałym napięciu serii 78xXX Główne cechy: Napięcie wejściowe 35V(40V) Ograniczenie prądu 0,1A/1A/3A (TO-92/TO-220/TO-3) Minimalny spadek napięcia Δ 2V Parametry stabilizacyjne przeciętne (temperatury, napięcia wyjściowego, obciążenia) Ogranicznik temperatury

88 Przykłady obudów stabilizatorów monolitycznych TO mA TO-220 1A TO-3 3 5A

89 Stabilizatory napięcia stałego możliwości rozszerzenia zakresu zastosowań +E o 6Ω 1 Vin GND 2 Vout 3 Zwiększenie dopuszczalnego prądu -zwiększa się minimalny spadek napięcia +E o 1 3 Vin Vout GND 2 Zwiększenie dopuszczalnego prądu i ograniczenie prądu tranzystora -zwiększa się minimalny spadek napięcia

90 Stabilizatory napięcia stałego możliwości rozszerzenia zakresu zastosowań +E o+dz 1 3 Vin Vout GND 2 Zwiększenie napięcia wyjściowego -parametry stabilizacji mogą się pogorszyć jeśli zastosujemy zwykłą diodę Zenera

91 egulowane napięcie odniesiania trzykońcówkowe LM385-ADJ +E 1 2 1,24V 1,24( 2 / 3 + 1) [V] 3

92 Monolityczne stabilizatory o nastawnym napięciu 1 O 1 2 EF 1 2 +E 1 Vin 7805 GND 2 Vout 3 1 O 5V 2 51 [ V ] SP2 1 sp 2

93 Monolityczne stabilizatory o nastawnym napięciu LM317 LM317 +E 1 Vin Vout 3 O GND 2 1 1,245V O [ V ] μA 2

94 Monolityczne stabilizatory o nastawnym napięciu ujemnym LM337 LM337 -E 1 Vin Vout 3 - O GND 2 1 1,245V O [ V ] μA 2

95 Monolityczne stabilizatory o nastawnym napięciu i prądzie maksymalnym - L200 max +E o 1 5 Vin Vout Omax 0,4 0,5 m ax [ A] GND 3 ef 4 max 2 1 O 2, [ 1 V ] 2 2,7V

96 Stabilizatory LDO (Low DropOut) Δ W typowym zasilaczu Δ>2V W zasilaczu LDO Δ>0,2 0,5V

97 Zestawienie właściwości zasilaczy scalonych tranzystora zewnętrznego b-bez zewnętrznego ogranicznika

98 Zasilacz dwunapięciowy dual tracking regulator 3 2 ref 1 O 1 2 O EF 1 Masa wirtualna 3

99 Zasilacz z zaciskami pomiarowymi + +S -S Napięcie stabilizowane -

100 Charakterystyki impulsowe E +E o 1 3 Vin Vout GND 2 O O E O O O

101 Charakterystyki impulsowe +E o 1 3 Vin Vout GND 2 Zminimalizowanie skutków skoków napięcia wejściowego: -Dodatkowy filtr (C, L itp..) -nne elementy tłumiące (np..transil) -Zasilacz wstępny Zminimalizowanie efektów skoków prądu obciążenia: zmniejszenie impedancji wyjściowej prze dodanie kondensatorów o małej impedancji dla wysokich częstotliwości, kondensatory przy elementach pobierających prąd impulsowo

102 Stabilizatory prądu max min Omax BE

103 Stabilizatory prądu DZ BE min DZ Tsat DZ BE min DZ BE Tsat

104 Stabilizatory prądu LM317 1 Vin Vout GND 2 3 min 1,25V zas 1,25 2 3,25V zas

105 Podsumowanie Główne parametry stabilizatorów Stabilizatory parametryczne oparte na diodzie Zenera Źródła napięć wzorcowych Stabilizatory kompensacyjne Sposoby zabezpieczeń stabilizatorów Stabilizatory scalone typy, własności Stabilizatory prądu