Układy i Sysemy Zasilania
ieraura Keih H. Billings - HANDBOOK OF SWITCHMODE POWER SUPPIES, McGraw-Hill Publishing Company, 1989 Abraham I.Pressman Power Supply Design, Second Ediion, McGraw-Hill Publishing Company, 1998 Ferenczi O. - Zasilanie układ adów w elekronicznych. Zasilacze impulsowe,, WNT Warszawa 1989 www.smps.us/unirode.hml - UNITRODE (TI) POWER SUPPY DESIGN SEMINAR TOPICS
Podsawowe wymagania sawiane urządzeniom zasilającym prądu sałego małej i średniej mocy Podsawowy schema funkcjonalny zasilacza Obszar napięć niebezpiecznych Obszar napięć bezpiecznych -15% - +10% Napięcia sabilizowane ~ Obwód pierwony Obwód wórny U 1 U 2... = U n Napięcie wejściowe/zasilania sałe lub zmienne Bariera izolacyjna Napięcia wyjściowe
Podsawowe funkcje zasilacza Dosarczenie jednego lub kilku napięć wyjściowych, najczęściej sałych w zakresie 3V 48V Zapewnienie bezpieczeńswa izolacja bezpiecznych, niskich napięć wyjściowych od niebezpiecznych obwodów napięć zasilających Sabilizacja napięć wyjściowych w przypadku wahań napięć zasilających oraz zmian prądu obciążenia
Paramery sayczne charakeryzujące ce napięcia wyjściowe Równanie opisujące wpływ najważniejszych niejszych czynników w na napięcie wyjściowe U wy = δu wy δi ο x I ο + δu wy x δu U we + we δu wy δt x T współczynnik sabilizacji prądowej WSP współczynnik sabilizacji napięciowej WSN współczynnik sabilizacji emperaurowej WST %U wy I o (I omin I omax ) %U wy U we (U wemin U wemax ) %U wy deg Paramer kaalogowy Paramer kaalogowy Paramer kaalogowy
Tęnienia i szumy przebiegi w zakresie kilkudziesięciu Hz U wy 10ms - 100Hz ms
Paramery dynamiczne zasilaczy Tęnienia i szumy napięcia wyjściowego U wyp-p 5 10 15 20 25 30 Przebiegi w zakresie kilkudziesięciu do kilkuse khz
Dynamiczne zmiany napięcia wyjściowego przy skokowych zmianach obciąż ążenia
Przeregulowanie napięcia wyjściowego przy załą łączaniu (ang. sar-up overshoo) U wy małe e obciąż ążenie U o duże e obciąż ążenie
Układy sygnalizacji sanu pracy zasilacza Sygnalizacja opyczna (najczęś ęściej diody ED) - kolor zielony - poprawna praca - kolor czerwony - awaria (zadziałanie anie zabezpieczeń) - kolor żóły - osrzeżenie enie (np. zanik napięcia sieciowego i praca z baerii) Sygnalizacja sykowa (przekaźnik) - syki zware - poprawna praca - syki rozware - awaria zasilania Sygnał Zaniku Napięcia Zasilania (ang. Power Fail Signal lub PF ) U wy PF 1 U > 1ms U < 5%U o 0
Sygnał goowości (ang. Power Good) U wy U U < 5%U o PG 1 0
Czas podrzymania napięcia wyjściowego U we 95% U o U wy Uo p p czas podrzymania do kilkudziesięciu ms
Zabezpieczenia zasilaczy Zabezpieczenia przeciąż ążeniowe 1. Sabilizacja prądu obciąż ążenia Uwy U o I o = I nom I max I zw Iwy
2. Ograniczenie prądu U wy punk pracy w warunkach normalnych U o Obci enie rezysancyjne U<U o charakerysyka U=f(I) obciazenia hipoeyczny punk pracy I zw I o = I nom I max I wy 3. Zabezpieczenie wyłączające 4. Zabezpieczenie ermiczne
Zabezpieczenie nadnapięciowe U wy sabilizacja SZ pęla sprzęż ężenia zwronego (do sabilizacji) U wymax U o wyłą łączenie SZ1 SZ2 U wy UK - układ konroli napięcia Przykładowa realizacja Wył. UK Uwy U wy wyłą łączenie zasilacza ang. crowbar - akywizuje zabezpieczenie przeciąż ążeniowe
Kompensacja spadków w napięć na przewodach wyjściowych ZASIACZ +S I s = 0 I o r s U o U 1 U s R o U o r s -S U s U 1 = U o + 2 U s Sabilizowane jes napięcie pomiędzy zaciskami +S i -S
Współpraca praca równolegr wnoległa a zasilaczy Zwiększenie prądu obciąż ążenia Zasilacz 1 U o1 I 2 I 1 I o U o I 1, I 2 zasilacz 1 obciąż ążenie 100% I 1max Zasilacz 2 U o2 I1 I2 U o1 = ~ U o2 I 1max 2I 1max I 1max = I 2max Wymagane zabezpieczenie przeciąż ążeniowe ze sabilizacją prądu Układ z nierównomiernym podziałem prądu obciąż ążenia I o
Zasilacz 1 CS U o1 CS - ang. curren share podział prądu I 1 I o I 1, I 2 Dodakowe połą łączenie Zasilacz 2 CS I 2 U o2 U o I 1max I 1 I 2 U o1 I 1max = I 2max o1 > U o2 (niewielka różnica) r I 1max 2I 1max I o Zasilacz 1 wymusza zmiany U 2 ak, aby prąd I 2 był zbliżony do I 1 Układ z równomiernym r podziałem prądu obciąż ążenia
Zapewnienie redundancji (rezerwacji napięcia) U we1 Zasilacz 1 D 1 U o1 I 1 I o I 2 U o I o < I 1max, I 2max U we2 Zasilacz 2 D 2 U o2 U o1 = ~ U o2 I 1max = I 2max Redundancja 1 + 1 Redundancja n + x - n modułów koniecznych do zapewnienia prądu obciążenia - x modułów w może e jednocześnie nie ulec uszkodzeniu
Najważniejsze paramery doyczące ce zasilacza od srony napięcia wejściowego Zakres napięcia zasilającego (np. 230V +10%,-15% 15% lub 150V 260V) Rodzaj napięcia zasilania (jednofazowe, rójfazowe, zmienne, sałe e lub jedno i drugie) Częsoliwo soliwość napięcia zasilania (np. 40Hz 60Hz lub 40Hz 400Hz) maksymalna warość skuecznej warości prądu zasilania (dla najgor- szego przypadku) Prąd d udarowy (przy załą łączaniu) np. 30A (ypowo) I u I we U we
Emisja zakłóce ceń elekromagneycznych Pole elekromagneyczne zakłóceń (pomiar w zakresie od 30MHz do 1 GHz) Przewody zasilające ZASIACZ Prądy i napięcia zakłóceń przewodzonych (pomiar w zakresie od 0,15MHz do 30 MHz)
Zakłócenia radioelekryczne (ang. EMI) Zakłócenia przewodzone - pomiar napięcia zakłóce ceń na rezysancji 50Ω w znormalizowanym układzie pomiarowym zw. szucznej sieci - zakres częsoliwo soliwości: 150kHz - 30 MHz - jednoska: dbµ Z p = 20log U z [db[ dbµ] Z p 1µV - poziom zakłóce ceń przewodzonych Zakłócenia emiowane - pomiar naęż ężenia pola elekromagneycznego w powierzu - zakres częsoliwo soliwości: 30MHz - 1GHz - jednoska: dbµv/m Z e = 20log E z [db[ dbµv/m) Z e poziom zakłóce ceń emiowanych 1µV/m Poziomy określaj lają normy, np.: PN-EN55022 Dopuszczalne poziomy i meody pomiaru zaburzeń radioelekrycznych wywarzanych przez urządzenia informayczne
Układ pomiarowy Kabina ekranowana U we Szuczna sieć I z Zasilacz R o E z Miliwolomierz selekywny Pomiar w zakresie 0,15 30MHz Analizaor widma naęż ężenia pola elekromagneycznego w paśmie 30MHz 1GHz
Przykładowy prookół z pomiarów
Współczynnik mocy i jego korekcja U we, I we U I T f = 1/T φ = 2πf 2 moc całkowia kowia moc pozorna 2 S [VA] = I Z φ moc czynna 2 P [W] = I R moc bierna 2 Q [var[ var] ] = I (X - X ) C PF = cos φ Współczynnik mocy Zależno ności obowiązuj zujące dla przebiegów w sinusoidalnych
U we, I we I1 U (φ) I-sza harmoniczna I 1 (1) K s = I 1(1) sk I 1 sk Współczynnik kszału u moc całkowia (pozorna) S = I 1sk U P (moc rzeczywisa) U we, I we I2 U PF = S P = I 1sk I 2sk PF = K s cosφ moc całkowia S = I 2sk U = P PF < 1 (0,6 0,75)
Zniekszałcony przebieg prądu powoduje: -wzros mocy pozornej (a więc c i prądu pobieranego z sieci energeycznej) -wzros zawarości harmonicznych prądu w przewodach zasilania co prowadzi do odkszałce ceń sinusoidalnego napięcia sieciowego -wzrosu prądu płynp ynącego w przewodach zerowych sieci wielofazowych Od 2001 roku obowiązuj zują przepisy ograniczające ce zawarość harmonicznych w prądzie zasilającym urzadzenia elekryczne i elekroniczne o mocy wyjściowej od 75W 1000W. Dokumen obowiązuj zujący: PN-EN 61000-3-2 Kompaybilność elekromagneyczna (EMC) Dopuszczalne poziomy emisji harmonicznych prądu (fazowy prąd d zasilania odbiornika mniejszy lub równy r 16A) W zasilaczach sosuje się układy poprawiające kszał prądu Akywna Korekcja Współczynnika Mocy (ang. PFC)
Odporność na zaburzenia zewnęrzne o charakerze elekromagneycznym Wyładowania amosferyczne Wyładowania elekrosayczne ZASIACZ Zewnęrzne pola elekromagneyczne Szybkie elekryczne sany przejściowe (ang. BURST) (ampliuda do 4 kv)
Sysemy zasilania - bezpieczeńswo Cenralny blok zasilacza Moduł zasilany nr1 - funkcjonalność - niezawodność Uz ~ U1 U2 Moduł zasilany nr2 - kosz Un Baerie lub akumulaory Moduł zasilany nr k Scenralizowany sysem zasilania
Zasilacz 1 ~ U1 Moduł zasilany nr 1 Moduł zasilany nr 2 Moduł zasilany nr 3 - bezpieczeńswo - funkcjonalność - niezawodność - kosz UPS Zasilacz 2 ~ U2 U3 Moduł zasilany nr 4 Uz ~ ~ Uz Moduł zasilany nr 5 Baerie lub akumulaory Zasilacz N Moduł zasilany nr k ~ Un Moduł zasilany nr k+1 Wielokrony scenralizowany sysem zasilania
Przewornica małej mocy DC-DC - bezpieczeńswo Moduł zasilany 1 - funkcjonalność - niezawodność 220V 50Hz ~ 12V - 24V Przewornica małej mocy DC-DC U 1i U 2i Moduł zasilany i - kosz 12V - 24V nap. sałe Sabilizaor impulsowy z dodakowymi napi ciami wyj ciowymi U 2n U 1n Moduł zasilany n U 3n Niskonapięciowy zdecenralizowany sysem zasilania (wysokonapięciowy zdecenralizowany sysem zasilania)
Porównanie sabilizaora ciągłego i impulsowego Sabilizaor klasyczny ciągły U ce Podsawowy schema funkcjonalny Sabilizaor impulsowy U we US wzm ε + V r - R 1 R 2 R o I o U wy (U o ) U we T 1 T 1 τ f p = 1 T T U 1 K u f g f p R o I o U wy (U o ) U o = U we U ce = cons. P o = U o.i o P sr = U ce.i o sprawność: P η = o U = o.i o U = we - U ce U we.i o U we P we U ce > U cemin (~2,5V) 0,3 < η < 0,5 ypowe warości Sray mocy w T 1 - duże U 1 τ U we T U 1 r U 1 = U 1 r + Σ U i sin(2iπf p ) i=1 odfilrowane sray mocy w T 1 = 0 sray mocy w filrze (C) = 0 τ U 1 r = U we = γu T we γ współczynnik wypełnienia η = 1 (100%)
STEROWNIK IMPUSOWY STSI Szeregowy Tranzysor Szeregowa Indukcyjność T I T I D U we D C R o U 0 I I C ~ U C U 1 U 0 I o U C Założenia: 1. Dioda D i ranzysor T sąs idealnymi elemenami przełą łączającymicymi 2. Rezysancja szeregowa dławika d jes pomijalna (r( = 0) 0 3. Pojemność kondensaora C jes bardzo duża a ( U( c << U o ) T E T E I ak U we D E C I o II ak U we D E C I o T przewodzi, D nie przewodzi T nie przewodzi, D przewodzi
Analiza podsawowych przebiegów w w sabilizaorze STSI I ak - schema zasępczy 0 < < τ U 1 r = ~ 0 I I min ~ U C I 0 R o I T τ T U 1 = U we U 0 ~ U T I 0 = 0 = U C << U 0 r I, Obliczamy I korzysając c z meody superpozycji ' T U U 0 we 0 T0 i() = Imine + (1 e r ) 0 0 I min I I min ' I I max I D I min τ U -U i ( ) I (1-...) + (1-1 +...) ' we 0 min T0 r T0 <<1 ' U we -U0 Uwe -U0 i( ) I min + = I min + r r zmiana prądu w dławiku: d ' U -U I = we 0 τ I C ~ U C U c (0) τ Uwe -U0 2 uc ( ) = ic ( ) d = UC (0) + 2C 0 0
II ak - schema zasępczy τ < < T T = 0 r r = ~ 0 I I max ~ U C U 0 << U 0 U 0 ~ U C I 0 R o U I 0 = R Obliczamy I korzysając c z meody superpozycji -τ -τ - - '' T U 0 0 T0 ( ) = max - (1- ) r '' U0 max i I e e analogicznie jak poprzednio: zmiana prądu w dławikud w sanie usalonym: U we -U0 U0 T τ = I ( - τ ) 0 0 U 1 I T I min i ( ) I - ( - τ ) '' U0 I = - ( T - τ ) ' = - I U Funkcja przejścia serownika STSI U =γu 0 we '' τ = U T 0 we I I min I D I C ~ U C ' I U c (τ) τ I max I max I Csr = 0 -τ U Τ 0 2 C ( ) = C ( - τ ) = C ( τ ) - ( - τ ) 2C τ τ u i d U T I min I 0
Dobór r indukcyjności ci i pojemności, przykładowe obliczenia dla regulaora impulsowego STSI Założenia: Uwe = 10 15V, Uo = 5V, Io = 10A, f = 100kHz z reguły przyjmuje się: I < 0,1 0,2 I 0max zakładamy: z danych wejściowych wynika: U U = ( - ) ( - τ ) I 0 T τ 0 T I I < 1A U U 0 γ 0 0,33 γ 0,5 Uwemax U wemin Τ = 10µ s dla τ min dla τ max Przyjmujemy = 3 µh 4 µh 5[ V ] (10[ µ s ]-0,33[ µ s ]) = 3,35 [ µ H ] 1[ A] 5[ V ] (10[ µ s ]-0,5[ µ s ]) = 2,5 [ µ H ] 1[ A] Załóżmy w przybliżeniu, że składowa zmienna napięcia na kondensaorze wynosi: Przyjmijmy: U C 0,1V U C 2 C 2 U C τ max 1 2 C U 0 U -U U -U = -U 2 we max 0 d we max 0 we max 0 2 max C τ = 625 [ µ F] Przyjmujemy C = 1000 µf 2 τ 2 max 3,3µ s τ 5µ s