Prostowniki małej mocy
Transkrypt
Prostowniki małej mocy
Zasilacze: - prostowniki, - filtry tętnień, - stabilizatory o pracy ciągłej. 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 Rodzaje transformatorów sieciowych • Rdzenie typu EI, zwijane, toroidalne • Materiał rdzenia – Blachy gorąco walcowane – Blachy zimnowalcowane Związek mocy z wymiarami S[cm2]@P[W] Blacha/Rdzeń Bmax[T] S 1,25 P1 Blacha gorącowalcowana Rdzeń EI Blacha zimnowalcowana Rdzeń EI Blacha zimnowalcowana Rdzeń zwijany Blacha zimnowalcowana Rdzeń toroidalny 1T S 1,1 P1 S P1 S 0.8 P1 1.1T 1.5T 1.6T Transformator [Voltów / zwój] U 2 f Bmax S z „„„Orientacyjna sprawność”””” transformatorów 100 90 U2/nU1 80 70 P2/P1 60 I10/I1 50 40 30 20 10 0 0 10 1 10 2 10 3 10 [VA] „moc znamionowa” Transformatory Model transformatora Rezystancja uz. pierwotnego Transformator rzeczywisty Transformator idealny Ind. rozproszenia Ind. rozproszenia uz. pierwotnego uz. wtórnego n:1 n:1 Pojemność uz. wtórnego Pojemność uz. pierwotnego Rezystancja strat rdzenia Ind. Główna transformatora Rezystancja uz. wtórnego Pojemność międzyuzwojeniowa Model uproszczony transformatora dla małych częstotliwości Ind. rozproszenia Transformator idealny n:1 uz. wtórnego i pierwotnego Ind. Główna transformatora Rezystancja uz. wtórnego i pierwotnego Model uproszczony transformatora n 2 Ruz.wtórnego n:1 Rszeregowe Ruz. pierwotnego 10% U sk 230V 10% U sk.sieci U (t ) 2 sin(t ) n n:1 n:1 n:1 n:1 Rodzaje prostowników Prostownik jednopołówkowy zasada działania n:1 n:1 Prostownik dwuopołówkowy n:1 n:1 n:1 n:1 Prostownik mostkowy zasada działania n:1 n:1 Prostowniki – obciążenie rezystancyjne Przez „transformator” płynie prąd stały !!! Prąd i napięcie na obciążeniu I śr U śr R0 U śr 2 2 rezystancyjnym U śr Esk 2 Esk I śr U sk U śr R0 Esk 2 U sk Esk Prostownik jednopołówkowy Uwy U (t ) U wy max exp t CR 0 Rs R0 Esk C+C ID Q1 = Q2 bo Iwy≈const Θ;ΔT T=20ms=1/f=1/50Hz Podstawowe zależności dla prostownika jednopołówkowego Wyjściowe napięcie szczytowe (biegu jałowego tzn. bez obciążenia): U wy.max . jał . 2 Esk U D 2 Esk Napięcie tętnień (międzyszczytowe) : Q U wy.max U t C R0 T U wy.max I wy.śred C fR C fC 0 Te zależności trzeba umieć wyprowadzić ! Prostownik dwupołówkowy Uwy U (t ) U wy max exp t CR 0 Rs Esk R0 Esk C+C Rs ID Q1 = Q2 bo Iwy≈const Θ;ΔT T=20ms=1/50Hz Podstawowe zależności dla prostownika dwupołówkowego Wyjściowe napięcie szczytowe biegu jałowego : U wy.max . jał . 2 Esk U D Dla mostkowego: U wy.max 2 Esk 2U D Napięcie tętnień : T Q IWySr 2 IWySr Ut C C 2 fC Te zależności trzeba umieć wyprowadzić ! Prąd szczytowy włączania „surge current” Rs Uwy Esk R0 Esk Rs C φ IDmaxmax ID I D max max Θ T=20ms=1/50Hz 2 Esk RS Główne parametry • Dane: – – – • Esk=Usieci/n(przekładnia) RS – rezystancja szeregowa transformatora UD – spadek napięcia na diodzie Parametry do obliczenia – – – – – Uwy.sk.; Uwy.śr.; Uwy.max.; Uwy.min.;Utętnień.;UR diody Id.śr.; Id.sk.; Id.max.; Iwy.śr Θ;ΔT – kąt przepływu; czas przewodzenia kt = Utętnień/Uwy.śr.- wspólczynnik tetnień u = Uwy.śr/Esk – wsp. wykorzystania napięcia Projektowanie prostownika – diagramy Schade’go [J. Baranowski, G. Czajkowski; Układy elektroniczne. Cz. WNT 2004] [T. Zagajewski; Układy elektroniki przemysłowej, WKŁ 1978] Współczynnik szczytu i kształtu I CF MAX FF I RMS I RMS I Crest Factor – współczynnik szczytu Dla sinusa = 1,41= √2 waveForm Factor – współczynnik kształtu Dla sinusa = 1,11=π/2√2 AV Projektowanie prostownika – diagramy IDskuteczny/Idśr = FF n – liczba faz (1,2,3,6) Projektowanie prostownika – diagramy IDmax/Idśr=CF*FF n – liczba faz (1,2,3,6) Projektowanie prostownika – diagramy kąt przepływu Θ i kąt „początkowy” φ Zależności dla ωR0C>>1 i R0>>Rs Gdy C rośnie •Maleją tętnienia ~1/nfCR0 !!!! •Maleje kąt przepływu •Rośnie prąd szczytowy diody •Rośnie prąd skuteczny diody i transformatora (grzeje się) Moc tracona w diodzie 1 PD.czynna T T T 1 2 0 uD (t )iD (t )dt T 0 iD (t )RD.szer.dt U D I D.śr I D2 .sk . RD.szer. PD.czynna 0.7V 1A (3 A) 2 0.1 0.7W 0.9W Projektowanie prostownika – diagramy IDskuteczny/Idśr=FF n – liczba faz (1,2,3,6) Porównanie zasilaczy Jedno-wy C dla uzyskania jednakowych tętnień U wy max 1 C U t fR0 Dwu- wy Mostkowy ½(..) ½(..) Prąd maksymalny diody (i skuteczny) duży mniejszy mniejszy Napięcie wsteczne diody 2Emax 1(..) ½(..) Zawartość harmonicznych prądu w sieci duża; Wszystkie- duża; nieparzyste duża; nieparzyste w tym DC ??? Projektowanie prostownikow [Tietze, Schenk] UTet/UWysr<10% Napięcie biegu jałowego Napięcie średnie Napięcie wsteczne diody Średni prąd diody Jednopołówkowy Mostkowy UWyMax 2 Esk U D UWyMax 2 Esk 2U D Rs UWySr UWyMax 1 RL Rs UWySr UWyMax 1 2 RL U D max 2 2 Esk U D max 2 Esk I Dsr I Osr I Dsr Szczytowy prąd diody I D max UWySr Napięcie tętnień U Tet Napięcie minimalne 2 UWyMin UWySr U Tet 3 RS RO IWySr 1 4 RS fC RO UWyMax 2 Esk U D Rs UWySr UWyMax 1 2 RL U D max 2 2 Esk I Dsr 1 I Osr 2 I D max UWySr U Tet Dwupołówkowy 2RS RO IWySr 1 4 RS 2 fC 2 RO 2 UWyMin UWySr U Tet 3 I D max UWySr U Tet 1 I Osr 2 2RS RO IWySr 1 4 RS 2 fC 2 RO 2 UWyMin UWySr U Tet 3 Współczynnik szczytu i kształtu I CF MAX FF I RMS I RMS I Crest Factor – współczynnik szczytu Dla sinusa = 1,41= √2 waveForm Factor – współczynnik kształtu Dla sinusa = 1,11=π/2√2 AV Prąd skuteczny impulsów prądowych I śr 1A 1A I śr 1A 2A 1A T 1 2 I sk i (t )dt 1A T 0 CF 1; FF 1; T 1 2 I sk i (t )dt 2 A T 0 CF 2; FF 2; 4A I śr 1A 1A T T 1 2 I sk i (t )dt 2 A T 0 CF 2; FF 2; Prąd szczytowy włączania „surge current” Rs Uwy Esk R0 Esk C Rs I max ID T=20ms=1/50Hz 2 Esk RS Zniekształcenia prądu sieci energetycznej. Norma IEC555 Uwy ID T=20ms=1/50Hz Zniekształcenia prądu sieci energetycznej. Norma IEC555 U I •Zawartość harmonicznych ( do 40 harmonicznej) •Fluktuacje napięcia związane z regulacją obciążeń •Prąd włączania (?) Zniekształcenia prądu sieci energetycznej. Współczynnik mocy Pczynna Isk A W Sieć 230V(±10%) 50Hz V Pczynna U sk I sk Usk W W 1 VA War Obciążenie Współczynnik mocy przykład Usk=230V;Umax=325V 325V 5A 20ms I RMS 1 P U RMS 2ms Przy takim prądzie =1 T 1 2 1 5 A2 2 2ms 2,2 A I sk i dt T 0 20ms T 1 4ms Pczynne u (t )i(t )dt 320V 5 A 320W T 0 20ms Pczynna U sk I sk 320W W W 0,63 230V 2,2 A VA War Współczynnik mocy dlaczego powinien być 1 R I RMS 1 P U RMS T 1 P u (t )i(t )dt U RMS I RMS T 0 R Pstrat I RMS 2 1 R 2 P U RMS 2 R 2 2 1 1 2,52 0 , 63 Filtry indukcyjno - pojemnościowe Uwy L ID R0 C Skutki: • Polepszenie filtracji – zmniejszenie tętnień • Znaczne Zmniejszenie zawartości harmonicznych • Większy koszt • Dławik musi być duży ze względu na jego nasycanie Dla L>Lkr kąt przepływu prądu jest pełny L Lkrytyczne R0 3 Symetryczny podwajacz napięcia (Delona) Esk RS C C R0 Nie symetryczny podwajacz napięcia (Villarda) RS Esk C C Emax Emax Emax Emax 2Emax R0 Przykład Transformator z dużym rozproszeniem jako „dławikiem”, co wygładza i stabilizuje prąd Podwajacz napięcia Podwajacz napięcia !!! Przykład Transformator z dużym rozproszeniem jako „dławikiem”, co wygładza i stabilizuje prąd Podwajacz napięcia Przykład Transformator z dużym rozproszeniem jako „dławikiem”, co wygładza i stabilizuje prąd Podwajacz napięcia Kuchnia mikrofalowa !!! Powielacze napięcia niesymetryczny i symetryczny (sposób działanie do samodzielnego przemyślenia) C 2n(n 2) fR0 U wy.śr n 2 Esk U t Ut I wy.śr 2 3 1 2 1 n n n fC 3 2 6 Ut I wy.śr 1 3 1 2 1 n n n fC 6 4 12 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 IEC555 • Zasilacze z filtrem indukcyjno-pojemnościowym • Powielacze napięcia (schematy, zasada działania) Zasilacze: - prostowniki, - filtry tętnień, - stabilizatory o pracy ciągłej. Stabilizator prądu , napięcia Napięcie Io niestabilizowane E(t) STABILIZATOR Uo Napięcie / prąd stabilizowany 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 Podstawowe parametry „stabilizacyjne” stabilizatorów liniowych napięcia Niestabilność od obciążenia Niestabilność długoterminowa (dynamiczna rezystancja wyjściowa) U o U o U o U o U o E I o T t E I o T t Niestabilność od nap. zasilania Niestabilność od temperatury Wsp. stabilizacji ( „charakterystyka wyjściowa” jest do zapamiętania) U0 Prawidłowy obszar pracy ΔU0 fold-back I0min I0max U o U 0 Rwyjsciowa I I max I min Wsp. stabilizacji („charakterystyka przejściowa” jest do zapamiętania) U0 ΔU0 Prawidłowy obszar pracy U0min Emin Emin U o min U DROPOUT Emax U o U 0 E Emax Emin Podstawowe parametry „stabilizacyjne” stabilizatorów liniowych prądu Niestabilność od obciążenia Niestabilność długoterminowa (dynamiczna kondunktancja wyjściowa) I o I o I o I o I o E U o T t E U o T t Niestabilność od nap. zasilania Niestabilność od temperatury Stabilizatory parametryczne (napięcie zależy od „parametru” przyrządu półprzewodnikowego) Warystor U I U CI 0.140.5 Stabilizatory parametryczne (napięcie zależy od „parametru” przyrządu półprzewodnikowego) RS I0 E(t) IZ UZ RS I0 E(t) Dioda Zenera I U IZmin rZ UZ IZmax Projekt „diody Zenera” Rs I0=0 I E(t) E UZ U IZ=E/RS dla IO=0 IZ Projekt „diody Zenera” wsp. stabilności od obciążenia RS ΔUo I I0 E(t) Io+ ΔIo IZ Io E U Δ IZ= -ΔIo U o U o I o rz I o I o Projekt „diody Zenera” wsp. stabilności od zasilania RS ΔUo ΔE I E(t) Io E+ΔE E I0 IZ U U o rz U o E E E rz RS Projekt „diody Zenera” dobór RS RS I I0 E(t) IZ Io U E IZmin E/RS - Rs duże E/RS - Rs małe IZmax Projekt „diody Zenera” dobór RS RS UZ+IZmaxrz Emax Emin UZ I I0 E(t) IOmax IZ IOmin=0 IZmin RS Emin U Z I O max I Z min IZmax PZmax RS Emax (U Z I Z max rZ ) I O min I Z max Zasilacz z diodą Zenera wady i zalety RS I0 E(t) IZ - Wymagana duża różnica E-Uo (wtedy RS jest dostatecznie duże i stabilizacja skuteczna) - Duże straty mocy Pstrat= (E-Uo)(IZ+Io) +UZIZ - Duże szumy diody !!!!!! - Mała wydajność prądowa (IZmax - związane z mocą diody) - Słaba stabilność temperaturowa Parametry diod Zenera U o U o U o U o U o E I o T t E I o T t U o rz U Z E rz I o (TWU Z )U Z T t rz RS t Wymagane duże RS, a więc duże E-Uo Stabilność czasowa UZ,=10-3÷10-5 [1/1000h] Dioda Zenera o zwiększonej mocy UZ’=UZ+UBE Stabilizator wtórnikowy U o rz r U BE E z I o (TWU Z )U Z rz RS T RS – może być duże RS Uo=UZ - UBE U Z T t t Stabilizator równoległy i szeregowy I I IO I I I Z IO II II I I I Z IO IZ Io Io IZ Mniejsze straty mocy Źródła odniesienia • Diody Zenera • Kompensowane diody Zenera – Scalone diody • Band gap („napięcie baza emiter kompensowane termicznie”) • Termostatowane źródła odniesienia Dioda Zenera kompensowana termicznie (TWU Z )U Z 2mV / K dla U Z 6 9V U BE 2mV / K T TWUZ≈0 UZ=6÷9V Wymagany jest stały prąd bo współczynniki termiczne diody Zenera i diody zależą od prądu Dioda Zenera kompensowana termicznie przykład U O U Z U BE dU D dT jako funkcja prądu diody (slajd z wykładu – elementy) 3 [mV/K] 2.5 2 - - - - idealna 1.5 ------- rzeczywista (wpływ rezystancji szeregowej Rs) 1 -1 10 0 1 10 10 [mA] 2 10 Diodowy czujnik temperatury (slajd z wykładu 1 – elementy) U I D I S exp D nT +VCC ID1 1 kT T e ID2 UT D1 D2 I D2 U T U D 2 U D1 nT ln I D1 dU T nk I D 2 ln dT e I D1 Źródło odniesienia band-gap (przerwa energetyczna) U BE R2 R3 U BE U BE 1 U BE 2 n U REF R2 kT I 2 ln e I1 R2 U BE U BE 3 R3 U REF R2 k I 2 U BE 3 EGO 3T n ln 0 T R3 e I1 T U EGO 3T R2 k I 2 n ln BE 3 R3 e I1 T I2 I1 R3 U BE UREF ≈ 1,25V Inne odmiany 2,5V i inne Band-gap 2,5V UREF ≈ 2,5V Inne odmiany są możliwe Źródła odniesienia • Diody Zenera • Kompensowane diody Zenera – Scalone diody • Band gap („napięcie baza emiter kompensowane termicznie”) • Termostatowane źródła odniesienia Źródła odniesienia (przykłady) Stabilizatory kompensacyjne Element pomiarowy Element regulujący R1 UI R1 U O U REF 1 R2 k Uref R2 Wzmacniacz błędu Źródło odniesienia U O U I dla k 1 R2 1 k R1 R2 0 Najprostszy stabilizator kompensacyjny szeregowy R1 II k Uref IZ R2 Stabilizator kompensacyjny 1 R1 R U O U REF 1 1 R2 UI UREF R2 Stabilizator kompensacyjny 2 UREF R1 R U O U REF 1 2 R1 UI R2 Typowe układy zabezpieczeń Zab. termiczne Zab. przed wstecznym napięciem na wyjściu Zab. przed ujemnym napięciem Zab. przepięciowe i przeciwnej polaryzacji na wyjściu Elementy stosowane do zabezpieczeń Elementy zabezpieczające: • dioda, • dioda Zenera, • transil (jedno- lub dwustronny), • triak (tyrystor), • Iskrownik próżniowy, • bezpiecznik topikowy (szybki lub zwłoczny), • bezpiecznik półprzewodnikowy (PTC), • Inne…… Układ zabezpieczenia prądowego (najprostszy ?) E UO Pmax EI O max IO IOmax U RI I O I O max U BE RI 0,7V RI Układ zabezpieczenia prądowego (fold-back) E E Pmax EI Ozwarcia R1 U RI I O max RI U BE U R1 URI=IORI R2 UO R1 U O RI I O max R1 R2 stąt : R1 R1 I O max 1 U BE U O R2 R2 gdy U O 0 1 RI UO IO IOzwarcia U R1 IOmax 1 I Ozwarcia RI R1 1 U BE R2 E + Stabilizatory kompensacyjne μA723 - schemat b. uproszczony Tranzystor dużej mocy Ograniczenie prądu zwarcia (fold-back) Ogranicznik prądu Regulacja napięcia Stabilizatory trzykońcówkowe o stałym napięciu – 78xXX ΔU +E 1 Vin Vout GND 2 3 Uo UO[V]=(XX) 3,3 5 5,2 6 8 8,5 9 12 15 18 24 Stabilizatory trzykońcówkowe o stałym napięciu – 79xXX ΔU -E 2 Vin Vout GND 1 3 -Uo UO[V]=(XX) -5 -6 -9 -12 -15 -18 -24 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 ΔU≈2V • Parametry stabilizacyjne przeciętne (temperatury, napięcia wyjściowego, obciążenia) • Ogranicznik temperatury Przykłady obudów stabilizatorów monolitycznych TO-92 – 100mA TO-220 – 1A TO-3 – 3÷5A Stabilizatory napięcia stałego – możliwości rozszerzenia zakresu zastosowań +E 6Ω Uo 1 Vin Vout Zwiększenie dopuszczalnego prądu 3 GND -zwiększa się minimalny spadek napięcia 2 +E Uo 1 Vin Vout 3 Zwiększenie dopuszczalnego prądu i ograniczenie prądu tranzystora GND 2 -zwiększa się minimalny spadek napięcia Stabilizatory napięcia stałego – możliwości rozszerzenia zakresu zastosowań +E Uo+Udz 1 Vin Vout GND 2 3 Zwiększenie napięcia wyjściowego -parametry stabilizacji mogą się pogorszyć jeśli zastosujemy zwykłą diodę Zenera Regulowane napięcie odniesiania trzykońcówkowe LM385-ADJ +E R1 R2 1,24V 1,24(R2/R3 + 1) [V] R3 Monolityczne stabilizatory o nastawnym napięciu R1 R U O U REF 1 2 R1 R2 R U O 51 2 [V ] I SP R2 R1 +E 1 Vin Vout 3 7805 GND R1 2 Isp R2 5V Monolityczne stabilizatory o nastawnym napięciu LM317 LM317 UO +E 1 Vin Vout GND 3 R1 2 50÷100μA R2 1,245V R U O 1.251 2 [V ] R1 Monolityczne stabilizatory o nastawnym napięciu ujemnym LM337 LM337 -UO -E 1 Vin Vout GND 3 R1 2 50÷100μA R2 1,245V R U O 1.251 2 [V ] R1 Monolityczne stabilizatory o nastawnym napięciu i prądzie maksymalnym - L200 I O max RImax +E 1 Vin Vout Imax GND 3 Ref 0,4 0,5 [ A] RIm ax Uo 5 2 R1 U O 2,771 [V ] R2 R1 4 R2 2,7V Stabilizatory LDO (Low DropOut) ΔU W typowym zasilaczu ΔU>2V W zasilaczu LDO ΔU>0,2÷0,5V Zestawienie właściwości zasilaczy scalonych tranzystora zewnętrznego b-bez zewnętrznego ogranicznika +Uo E + Zasilacz dwunapięciowy „dual tracking regulator” R3 R2 R1 Uref R2 U O U O U REF 1 R1 Masa wirtualna -Uo E - R3 Zasilacz z zaciskami pomiarowymi +U +S -S Napięcie stabilizowane -U Charakterystyki impulsowe +E Uo 1 E Vin Vout GND 3 IO UO 2 IO E UO UO Charakterystyki impulsowe +E Uo 1 Vin Vout 3 GND 2 Zminimalizowanie skutków skoków napięcia wejściowego: Zminimalizowanie efektów skoków prądu obciążenia: -Dodatkowy filtr (C, L itp..) •zmniejszenie impedancji wyjściowej prze dodanie kondensatorów o małej impedancji dla wysokich częstotliwości, -Inne elementy tłumiące (np..transil) -Zasilacz wstępny •kondensatory przy elementach pobierających prąd impulsowo Stabilizatory prądu U U U Umax Umin R IOmax U BE I R Stabilizatory prądu U DZ U BE R U min U DZ U Tsat U DZ U BE R U min U DZ U BE U Tsat I R I R Stabilizatory prądu LM317 1 Vin Vout GND 2 Izas 3 1,25V I zas R U min 1,25 2 3,25V I R Podsumowanie • Główne parametry stabilizatorów • Stabilizatory parametryczne oparte na diodzie Zenera • Źródła napięć wzorcowych • Stabilizatory kompensacyjne • Sposoby zabezpieczeń stabilizatorów • Stabilizatory scalone – typy, własności • Stabilizatory prądu