Blok Zasilania - prostowniki, - filtry tętnień, - stabilizatory o pracy ciągłej,

Transkrypt

1 Blok Zasilania - 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 Orientacyjna sprawność transformatorów /n 1 P 2 /P 1 10 / [VA] moc znamionowa

4 Transformatory

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

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

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

8 Rodzaje prostowników

9 Prostownik jednopołówkowy zasada działania n:1 n:1

10 Prostownik dwuopołówkowy n:1 n:1 n:1 n:1

11 Prostownik mostkowy zasada działania n:1 n:1

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

13 Prostownik jednopołówkowy wy ( t ) exp max t wy CR0 R s E sk R 0 C + C D Q 1 = Q 2 bo wy const Θ;ΔT T=20ms=1/f=1/50Hz

14 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 R 0 T C wy.max fr C 0 wy. śred f C Te zależności trzeba umieć wyprowadzić!

15 Prostownik dwupołówkowy R s wy ( t ) exp max t wy CR0 E sk R 0 E sk C + C R s D Q 1 = Q 2 bo wy const Θ;ΔT T=20ms=1/50Hz

16 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!

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

18 Główne parametry Dane: E sk = sieci /n (przekładnia) R S rezystancja szeregowa transformatora D spadek napięcia na diodzie Parametry do obliczenia wy.sk. ; wy.śr. ; wy.max. ; wy.min. ; tętnień. ; R 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

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

20 Gdy C rośnie Zależności dla ωr 0 C>>1 i R 0 >>R s Maleją tętnienia ~1/nfCR 0!!!! Maleje kąt przepływu Rośnie prąd szczytowy diody Rośnie prąd skuteczny diody i transformatora (grzeje się)

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

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

23 C dla uzyskania jednakowych tętnień Porównanie zasilaczy Jedno-wy Dwu- wy Mostkowy C wymax 1 t fr 0 ½(..) ½(..) Prąd maksymalny diody (i skuteczny) duży mniejszy mniejszy Napięcie wsteczne diody 2E max 1(..) ½(..)

24 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 R R s L WySr WyMax 2E Dmax Dsr Osr Dsr Osr WySr 1 R WySr Tet 4 WyMin fc WySr S R R R S O 2 3 O Tet Dmax 1 2 2R Tet WySr WyMax 2E sk R s 1 R s WySr WyMax 1 2RL 2RL sk S R WySr R 1 S 4 fc 2 R WyMin 2 O WySr 2 3 O Tet 2 Dmax 2E Dmax 1 Dsr 2 WySr Osr sk 2R Tet S R WySr R 1 S 4 fc 2 R WyMin 2 O WySr 2 3 D O Tet

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

26 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;

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

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

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

30 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

31 sk =230V; max =325V Współczynnik mocy przykład 325V 5A 20ms RMS 1 P RMS 2ms T sk i dt 2 T 20ms P 1 T 0 T 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

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

33 Symetryczny podwajacz napięcia (Delona) E sk R S C R 0 C

34 Nie symetryczny podwajacz napięcia (Villarda) R S E sk C C R 0 E max E max E max 2Emax E max

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

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

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

38 Powielacze napięcia niesymetryczny i symetryczny (sposób działanie do samodzielnego przemyślenia) C 2n( n 2) fr 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

39 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)

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

41 Stabilizator prądu, napięcia Napięcie niestabilizowane o E(t) STABLZATOR o Napięcie / prąd stabilizowany

42 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

43 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

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

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

46 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

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

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

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

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

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

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

53 Zasilacz z diodą Zenera wady i zalety R S 0 E(t) Z - Wymagana duża różnica E- o (wtedy R 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

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

55 Dioda Zenera o zwiększonej mocy Z = Z + BE

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

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

58 Stabilizatory kompensacyjne Element regulujący Element pomiarowy R 1 k ref O R 1 1 R REF 2 Wzmacniacz błędu R 2 Źródło odniesienia 1 O 0 R2 1 k R R dla k 1 2

59 Najprostszy stabilizator kompensacyjny szeregowy R 1 k ref Z R 2

60 Stabilizator kompensacyjny 1 R 1 R 1 1 R O REF 2 REF R 2

61 Stabilizator kompensacyjny 2 REF R 1 R 1 2 R O REF 1 R 2

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

63 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

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

65 kład zabezpieczenia prądowego (fold-back) E E O Ozwarcia R 2 R 1 Omax Pmax E Ozwarcia R = O R O O R R1 stąt O max gdy : Ozwarcia O max R 1 O R1 R 1 R 0 1 R R 2 O R 1 R BE R 1 2 R 1 R 1 2 BE R1 O max BE R R 1 2 O

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

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

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

69 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

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

71 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

72 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

73 Regulowane napięcie odniesiania trzykońcówkowe LM385-ADJ +E R 1 R 2 1,24V 1,24(R 2 /R 3 + 1) [V] R 3

74 Monolityczne stabilizatory o nastawnym napięciu R 1 O R 1 2 R REF 1 R 2 +E 1 Vin 7805 GND 2 Vout 3 R 1 O 5V R 2 51 [ V ] SPR2 R 1 sp R 2

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

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

77 Monolityczne stabilizatory o nastawnym napięciu i prądzie maksymalnym - L200 R max +E o 1 5 Vin Vout Omax 0,4 0,5 R m ax [ A] GND 3 Ref 4 max 2 R 1 O 2,77 1 R R 2 [ 1 V ] R 2 2,7V

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

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

80 Stabilizatory prądu max R min Omax BE R

81 Stabilizatory prądu R DZ BE R min DZ Tsat R DZ BE R min DZ BE Tsat

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

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

84 Zasady konstrukcji Aparatury Blok zasilania Przetwornice napięcia

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

86 Stabilizator impulsowy i liniowy P ( E ) strat O O P strat sat max E o E o o Z Mniejsze straty mocy O Średnie t on ton t off E Jeszcze mniejsze straty mocy

87 Wartość średnia przebiegu impulsowego E Średnie t T on E E t on t off T = t off + t on T okres γ = t on /T wsp. wypełnienia

88 Regulator obniżający napięcie E o O Średnie t on ton t off E E

89 Cewka indukcyjna E E E L L L E D ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( 0 t 0 t L t i t i t i L dt t di L t

90 Cewka indukcyjna E E D L P=* di( t) i ( t) L L dt t i( t) i( t0) ( t t 0 ) L Duża indukcyjność - Małe napięcie - pomalej zmienia się prąd moc zmagazynowana = moc oddana

91 Regulator obniżający napięcie (współbieżny forward, feedthrough) t on E C O E D Emiter L L 0 Lszczyt min C t E T 2 E 4 O max on O max Lszczyt T Otetnień 0 E t on O napięcie wyjściowe, E napięcie wejściowe, t on,t off, T czas włączenia, wyłączenia klucza i okres, Lszczyt prąd szczytowy indukcyjności i klucza L min minilalna indukcyjność Otetnień napięcie wyjściowe tętnień

92 Regulator obniżający (obciążenie krytyczne) t on E Emiter E O L O ET Okryt 1 2L Napięcie wyjściowe może wzrosnąć do E!!!

93 Regulator obniżający samowzbudny E E REF

94 Regulator podwyższający (przeciwbieżny flyback) t on E C O O Klucz Kl L L 0 1 E 1 Lszczyt min C 2 E O max Lszczyt T Otetnień O max t t 1 t on on off O napięcie wyjściowe, E napięcie wejściowe, t on,t off, T czas włączenia, wyłączenia klucza i okres, Lszczyt prąd szczytowy indukcyjności i klucza L min minilalna indukcyjność Otetnień napięcie wyjściowe tętnień

95 Regulator odwracający napięcie (przeciwbieżny flyback) E O E L C O L L 0 E 1 Lszczyt min C 2 E O max Lszczyt T Otetnień O max t 1 1 on O napięcie wyjściowe, E napięcie wejściowe, t on,t off, T czas włączenia, wyłączenia klucza i okres, Lszczyt prąd szczytowy indukcyjności i klucza L min minilalna indukcyjność Otetnień napięcie wyjściowe tętnień

96 Przetwornica odwracająca

97 Regulator odwracający (obciążenie krytyczne) E L E O O C L O E Okryt 1 T 2L Napięcie wyjściowe może wzrosnąć do!!!

98 Regulator dławikowy (magazynujący energię) z izolowanym wyjściem (przeciwbieżny flyback) E Kl O E O E Sprzężenie zwrotne z izolacją!!!!!!!!!!!! Dodatkowe uzwojenie pozwala rozładować energię w dławiku przy braku obciążenia

99 Step up MC34063

100 nverting MC34063

101 Step down MC34063

102 Wzory projektowe MC34063

103 Konwerter przeciwbieżny t on E O Klucz Prąd pierwotny Konwerter współbieżny Prąd wtórny + pomocniczy E Sumaryczny strumień pola magnetycznego

104 Konwerter współbieżny Konwerter przeciwbieżny t on E O Klucz Prąd pierwotny + wtórny (ujemny) E Prąd pomocniczy Sumaryczny strumień pola magnetycznego

105 Konwerter współbieżny W konwerterach współbieżnych: Energia zostaje transformowana (nie jest magazynowana w polu magnetycznym rdzenia) Prąd magnesowania jest mały Zamiast dławika stosuje się transformator o mniejszych gabarytach W konwerterach współbieżnych symetrycznych średni prąd magnesowania jest zerowy

106 Przetwornice przeciwsobne (współbieżne) dużej mocy

107 wagi ogólne Praca z dużą częstotliwością (10-200kHz) i krótkimi czasami przełączania (10-200ns): Dobór diod i tranzystorów Duże zakłócenia Przepięcia Projektowanie dławików i transformatorów Zjawisko naskórkowości Pojemności pasożytnicze (rezonanse)

108 Podsumowanie Zalety: Duża sprawność Małe wymiary Wady: Mniejsze współczynniki stabilizacji Zakłócenia Nieco większe ceny Przetwornice pojemnościowe (pompa ładunkowa) do własnych przemyśleń (n.cl7660)