Zasilanie sterowników i urządzeń automatyki

Komentarze

Transkrypt

Zasilanie sterowników i urządzeń automatyki
2015-01-20
Układy zasilania EUS
Semestr zimowy 2014/2015, WIEiK-PK
1
Wymagane wartości napięć
•
Zasilanie układów mikroprocesorowych, logicznych
– +1.8V, (lokalne układy zasilające – stabilizatory napięć)
– +3.3V,
– +5V,
•
Zasilanie układów analogowych (np. wzm. operacyjne, komparatory,
przetworniki A/C i C/A)
– +5V, 5V,
– +12V, 12V,
•
Zasilanie obwodów wejściowych i wyjściowych sterowników
•
Zasilanie elementów wykonawczych (przekaźniki, regulatory, styczniki)
•
Zasilanie linii prądowych, czujników
– +24V, 24Vac, 110Vac, 230Vac
– +12V +24V, 24Vac, 110Vac, 230Vac
– +10V - +30V
Semestr zimowy 2014/2015, WIEiK-PK
2
1
2015-01-20
Dostępne źródła napięć zasilania
• napięcie zmienne AC sieciowe jednofazowe 190-230260V/50Hz, trójfazowe 3x400V/50Hz,
• napięcie zmienne AC sieciowe jednofazowe 90-115120V/50/60Hz, trójfazowe 3x230V/50/60Hz,
• napięcie zmienne odizolowane od sieci energetycznej
24V/50Hz, 48V/50Hz, 230V/50Hz,
• napięcie stałe DC 12V, 24V, 48V,
• napięcie stałe z baterii 1.5V, 3V, 4.5V, 6V, 9V
• napięcie stałe z akumulatorów 1.2V, 2.4V, 3.6V, 12V, 24V
• napięcie z baterii słonecznych
• napięcie z linii przesyłowych prądowych (4-20mA), USB,
Ethernet (PoE)
Semestr zimowy 2014/2015, WIEiK-PK
3
Rodzaje akumulatorów
• Akumulator kwasowo-ołowiowy (samochodowy)
• Akumulator zasadowy
• Akumulator żelowy (kwasowo-ołowiany, żelowy
elektrolit)
• Akumulator niklowo-kadmowy NiCd
• Akumulator niklowo-wodorkowy NiMH
• Akumulator litowo-jonowy Li-Ion (np. komórkowy)
• Akumulator litowo-polimerowy Li-Poly (np.
komórkowy)
• Akumulator cynkowo-powietrzny
Semestr zimowy 2014/2015, WIEiK-PK
4
2
2015-01-20
Baterie i akumulatory
Semestr zimowy 2014/2015, WIEiK-PK
5
Zasilacze
Napięcie
wejściowe
Uwe, Iwe
Napięcie
wyjściowe
Uwy, Iwy
Układ zasilacza
Napięcie wejściowe
typu AC lub DC
Odbiornik
Jedno lub kilka napięć
wyjściowych
Separacja galwaniczna
Semestr zimowy 2014/2015, WIEiK-PK
6
3
2015-01-20
Wymagane parametry zasilaczy
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Maksymalna moc wyjściowa
Liczba napięć wyjściowych
Maksymalna obciążalność prądowa poszczególnych wyjść
Charakterystyka statyczna prądowo-napięciowa
Charakterystyka dynamiczna – odpowiedź na skokowe zmiany obciążenia
Odporność na zwarcia i przeciążenia
Tętnienia napięć wyjściowych
Izolacja galwaniczna pomiędzy napięciem wejściowym i wyjściowym
Sprawność
Masa i objętość
Generowanie zakłóceń do sieci (korektor PFC)
Zakres napięć wejściowych
Możliwość regulacji napięć wyjściowych
Zabezpieczenia termiczne
Semestr zimowy 2014/2015, WIEiK-PK
7
Charakterystyki zasilaczy
Semestr zimowy 2014/2015, WIEiK-PK
8
4
2015-01-20
Transformatory
Semestr zimowy 2014/2015, WIEiK-PK
9
Moduły zasilające AC/DC i DC/DC
Semestr zimowy 2014/2015, WIEiK-PK
10
5
2015-01-20
Zasilacze przemysłowe na szynę DIN
(T-35)
Semestr zimowy 2014/2015, WIEiK-PK
11
Zasilacze przemysłowe zabudowany i otwarte
(open frame)
Semestr zimowy 2014/2015, WIEiK-PK
12
6
2015-01-20
Rozwiązania układowe zasilaczy ze stabilizacją
napięcia wyjściowego
•
•
•
•
Zasilacze z stabilizatorami liniowymi
Zasilacze impulsowe beztransformatorowe
Zasilacze impulsowe z transformatorem
Zasilacze impulsowe rezonansowe
Semestr zimowy 2014/2015, WIEiK-PK
13
Rozwiązania układowe zasilaczy bez stabilizacji
napięcia
• Układ obniżający napięcie z transformatorem i prostownikiem
wyjściowym
• Układ obniżający napięcie z transformatorem i prostownikiem
wyjściowym i filtrem pojemnościowym
Układy
prostownika
jednofazowego
dwupołówkowego
Układy
prostownika
trójfazowego
Semestr zimowy 2014/2015, WIEiK-PK
14
7
2015-01-20
Rozwiązania układowe zasilaczy z stabilizacją
napięcia
• Układy obniżające napięcie z transformatorem,
prostownikiem wyjściowym i filtrem
pojemnościowym oraz stabilizatorem napięcia
Semestr zimowy 2014/2015, WIEiK-PK
15
Straty mocy na stabilizatorze liniowym
Sprawność stabilizatorów liniowych do około 50-60%
Semestr zimowy 2014/2015, WIEiK-PK
16
8
2015-01-20
Liniowy dodatni stabilizator napięcia
Dostępne napięcia wyjściowe:
5V, 6V, 8V, 10V, 12V, 15V, 24V
Źródło prądowe na układzie uA78XX
Semestr zimowy 2014/2015, WIEiK-PK
17
Aplikacje układu uA78XX, LM78XX
Podwójny zasilacz stabilizowany
+15V/-15V/1.5A
Zasilacz stabilizowany regulowany
Semestr zimowy 2014/2015, WIEiK-PK
18
9
2015-01-20
Liniowy regulowany stabilizator napięcia
Semestr zimowy 2014/2015, WIEiK-PK
19
Konfiguracje zasilaczy impulsowych
• Zasilacze typu AC/DC/DC z izolacją galwaniczną
• Zasilacze typu DC/DC bez izolacji galwanicznej,
beztransformatorowe
• Układ obniżający napięcie (Buck, step-down)
• Układ podwyższający napięcie (Boost, step-up)
• Układ odwracający napięcie (inverter)
Stabilizator liniowy
Stabilizator impulsowy
Semestr zimowy 2014/2015, WIEiK-PK
20
10
2015-01-20
Zalety i wady zasilacza impulsowego
Zalety:
• małe rozmiary, przy niewielkiej wadze oraz dużej mocy,
• zabezpieczeniach przed zwarciem wbudowanych w układy kontrolne zasilacza,
• wysokie parametry pracy,
• odporność na zakłócenia z sieci,
• odporność na krótkie zaniki napięcia,
• Duża sprawność 70%-95%
Wady:
• źle skonstruowany lub kiedy zbudowany jest ze złej jakości elementów może
powodować zakłócenia na wysokiej częstotliwości oraz niestabilną prace urządzeń
do zasilacza połączonych,
• skomplikowana budowa pod względem ilości części potrzebnych do pracy, przez co
jest droższy,
• złe chłodzenie oraz używanie w warunkach nie zalecanym przez producenta
zwiększa awaryjność.
Semestr zimowy 2014/2015, WIEiK-PK
21
Zasilacze typu DC/DC bez izolacji galwanicznej,
beztransformatorowe
•
•
•
•
Układ obniżający napięcie (Buck, step-down)
Układ podwyższający napięcie (Boost, step-up)
Układ odwracający napięcie (inverter)
Konwerter napięcia na kondensatorach, układ
bezindukcyjny
Semestr zimowy 2014/2015, WIEiK-PK
22
11
2015-01-20
Układ DC/DC obniżający napięcie
(Buck, step-down)
Semestr zimowy 2014/2015, WIEiK-PK
23
Przykład stabilizatora napięcia typu step-down
Semestr zimowy 2014/2015, WIEiK-PK
24
12
2015-01-20
Układ DC/DC podwyższający napięcie (Boost,
step-up converter)
Semestr zimowy 2014/2015, WIEiK-PK
25
Przykład stabilizatora napięcia typu step-up
Parametry:
• 40V DMOS FET switch
• 1.6 MHz (“X”), 0.6 MHz (“Y”) switching frequency
• Low RDS (ON) DMOS FET
• Switch current up to 1A
• Wide input voltage range (2.7V–14V)
• Low shutdown current (<1 µA)
• 5-Lead SOT-23 package
• Uses tiny capacitors and inductors
• Cycle-by-cycle current limiting
• Internally compensated
Zastosowania:
• White LED Current Source
• PDA’s and Palm-Top
Computers
• Digital Cameras
• Portable Phones and Games
• Local Boost Regulator
Semestr zimowy 2014/2015, WIEiK-PK
26
13
2015-01-20
Układ DC/DC odwracający napięcie (buckboost, inverter)
Semestr zimowy 2014/2015, WIEiK-PK
27
Zasilacze impulsowe typu AC/DC/DC z izolacją
galwaniczną
Schemat blokowy sieciowego zasilacza impulsowego
Semestr zimowy 2014/2015, WIEiK-PK
28
14
2015-01-20
Zasilacz jednotaktowy
(typu half-forward)
Semestr zimowy 2014/2015, WIEiK-PK
29
Zasilacz w dwutaktowy (typu flyback)
Semestr zimowy 2014/2015, WIEiK-PK
30
15
2015-01-20
Zasilacz w konfiguracji typu flyback
Schemat blokowy zasilacza sieciowego impulsowego
Semestr zimowy 2014/2015, WIEiK-PK
31
Zasilacz w konfiguracji typu flyback
Przykład zasilacza z firmy Infineon
Semestr zimowy 2014/2015, WIEiK-PK
32
16
2015-01-20
Zasilacz w konfiguracji typu flyback, małej mocy
Semestr zimowy 2014/2015, WIEiK-PK
33
Zasilacz w konfiguracji typu flyback, małej mocy
Semestr zimowy 2014/2015, WIEiK-PK
34
17
2015-01-20
Zasilacz typu forward converter
Semestr zimowy 2014/2015, WIEiK-PK
35
Zasilacz typu Push-pull converter
Semestr zimowy 2014/2015, WIEiK-PK
36
18
2015-01-20
Zasilacz w konfiguracji pół-mostka
(half-bridge converter)
Semestr zimowy 2014/2015, WIEiK-PK
37
Zasilacz w konfiguracji pełnego-mostka
(full-bridge converter)
Semestr zimowy 2014/2015, WIEiK-PK
38
19
2015-01-20
Porównanie konfiguracji zasilaczy impulsowych
Semestr zimowy 2014/2015, WIEiK-PK
39
Układ kondensatorowy odwracający lub
podwyższający napięcie
(pompa ładunkowa, charge pump)
Semestr zimowy 2014/2015, WIEiK-PK
40
20
2015-01-20
Filtry sieciowe typu RFI w zasilaczach
impulsowych
Urządzenie klasy A
Urządzenie klasy B
Semestr zimowy 2014/2015, WIEiK-PK
41
Filtry przeciwzakłóceniowe
Semestr zimowy 2014/2015, WIEiK-PK
42
21
2015-01-20
Porównanie zasilaczy
Zasilacze Impulsowe
Stabilizatory Liniowe
Sprawność
Wysoka 65% - 98%
Niska 25%-50%
Stabilizacja napięcia
Dobra, 0.1%-1.0%
Bardzo dobra, 0.02%-0.1%
Tętnienia napięcia wyjściowego
10-200mVpp
Mniejsze niż 10mVpp
Czas odpowiedzi na skok obciążenia
0.5-10ms
10us-1ms
Zakres napięcia wejściowego
Szeroki zakres ±50%, np.90-250Vac
Wąski zakres ±10%, np. 210-250Vac
Układ elektroniczny
Skomplikowany, trudny w
projektowaniu i budowie
Prosty, łatwy w projektowaniu i
budowie
Moc wyjściowa
Zakres do setek kW
Do kilkudziesięciu W
Wymiary
Małe
Duże
Masa
Mała
Duża
Czas podtrzymania napięcia
Długi, np. 30ms
Krótki np. 2ms
EMI
Generowanie dużego spektrum
zakłóceń EMI, częstotliwość pracy do
kilku MHz.
Małe zakłócenia EMI
Łatwość uzyskania kilku napięć
wyjściowych. Odporność na zakłócenia
sieciowe.
Możliwość podnoszenia, obniżania lub
odwracania napięcia wejściowego typu
DC
Łatwość regulacji napięcia wyjściowego
Semestr zimowy 2014/2015, WIEiK-PK
43
22

Podobne dokumenty