Przetwornice

Układy elektroniczne I
“Przetwornice napięcia”
Jerzy Witkowski
Stabilizator równoległy i szeregowy
I I ≈ IO
I I = I Z + IO
II
II
I I = I Z + IO
Io
IZ
Io
IZ
Mniejsze straty mocy
Stabilizator impulsowy i liniowy
Pstrat ≈ ( E − U O ) I O
Pstrat ≈ U sat I max
II
Io
E
E
Uo
Uo
IZ
Mniejsze straty mocy
U O = U Średnie =
ton
E
ton + toff
Jeszcze mniejsze straty mocy
1
Wartość średnia przebiegu impulsowego
U Średnie =
E
ton
ton
E = γE
T
toff
T = toff + ton
T – okres
γ = ton/T– wsp. wypełnienia
Regulator obniŜający napięcie
E
Uo
U O = U Średnie =
ton
E = γE
ton + toff
Cewka indukcyjna
UL
UL
1
1
3
3
2
2
E
E
I
I
E
E
di (t )
∆i
≈L
dt
∆t
U
i (t ) − i (t 0 ) = (t − t0 )
L
U (t ) = L
UL
UD
I
2
Cewka indukcyjna
di (t )
∆i
≈L
dt
∆t
U
i (t ) − i (t0 ) = (t − t0 )
L
U (t ) = L
E
E
UL
UD
Duża indukcyjność -
I
Małe napięcie pomalej zmienia się prąd
P=U*I
moc zmagazynowana = moc oddana
ZaleŜności dotyczące cewek
Bmax=0.05…0.1…0.2..0.3 [T] dla ferrytów
i częstotliwości 200…20..10 [kHz]
Bmax = µ 0 µ w
zI max
zI
≈ µ 0 max
l 
lp

lr 1 + µ w p 
l
r


lp
gdy µ w
L = µ0 µw
lr
>> 1
z 2S
z 2S
= AL z 2 ≈ µ 0
l 
lp

lr 1 + µ w p 
l
r 

Dla napięć sinusoidalnych:
Dla napięć „prostokątnych”:
U max
= 2π f Bmax S =
z
U max 1
1
= f Bmax S = Bmax S
z
γ
ton
2U skut
z
Regulator obniŜający napięcie
(współbieŜny – forward, feedthrough)
ton
UO
E
C
E
UD
UEmiter
IL
U 0 = γE =
ton
E
T
I Lszczyt ≈ 2 I O max
Lmin ≥
E −U0
ton
I Lszczyt
I
T
C > O max
4U Otetnień
UO – napięcie wyjściowe,
E – napięcie wejściowe,
ton,toff,T – czas włączenia, wyłączenia klucza i okres,
ILszczyt – prąd szczytowy indukcyjności i klucza
Lmin – minilalna indukcyjność
UOtetnień – napięcie wyjściowe tętnień
3
Regulator obniŜający
(obciąŜenie krytyczne)
ton
UO
E
UEmiter
E
IL
I O < I Okryt =
ET
(1 − γ )γ
2L
Napięcie wyjściowe może
wzrosnąć do E !!!
Regulator obniŜający samowzbudny
E
E
UREF
Regulator podwyŜszający
(przeciwbieŜny – flyback)
ton
UO
E
UKl
U0 =
IL
1
E
1− γ
 t
I Lszczyt ≈ 2 I O max 1 + on
 t
off

E
Lmin ≥
ton
I Lszczyt
I
T
C > O max
U Otetnień
UKlucz
UO
C




UO – napięcie wyjściowe,
E – napięcie wejściowe,
ton,toff,T – czas włączenia, wyłączenia klucza i okres,
ILszczyt – prąd szczytowy indukcyjności i klucza
Lmin – minilalna indukcyjność
UOtetnień – napięcie wyjściowe tętnień
4
Regulator odwracający napięcie
(przeciwbieŜny – flyback)
E
UO
C
UL
E
UO
IL
U0 =
γ
1− γ
E
UO – napięcie wyjściowe,
 1 
I Lszczyt ≈ 2 I O max 

1−γ 
E
Lmin ≥
t on
I Lszczyt
C>
E – napięcie wejściowe,
ton,toff,T – czas włączenia, wyłączenia klucza i okres,
ILszczyt – prąd szczytowy indukcyjności i klucza
I O max T
U Otetnień
Lmin – minilalna indukcyjność
UOtetnień – napięcie wyjściowe tętnień
Przetwornica odwracająca
Regulator odwracający
(obciąŜenie krytyczne)
UL
E
E
UO
UO
C
IL
I O < I Okryt =
Eγ
(1 − γ )T
2L
Napięcie wyjściowe może
wzrosnąć do ∞ !!!
5
Regulator dławikowy (magazynujący energię)
z izolowanym wyjściem
(przeciwbieŜny – flyback)
E
UO
E
UO
UKl
E
Sprzężenie
zwrotne z izolacją
!!!!!!!!!!!!
Dodatkowe uzwojenie pozwala rozładować
energię w dławiku przy braku obciążenia
Step up MC34063
Inverting MC34063
6
Step down MC34063
Wzory projektowe MC34063
Konwerter przeciwbieŜny
(fly back)
ton
UO
UKlucz
E
Prąd pierwotny
Konwerter współbieżny
Prąd wtórny + pomocniczy
E
Sumaryczny strumień pola magnetycznego
7
Konwerter współbieŜny
(forward)
ton
Konwerter przeciwbieżny
UKlucz
UO
E
Prąd pierwotny + wtórny (ujemny)
Prąd pomocniczy
E
Sumaryczny strumień pola magnetycznego
Choke vs. transformer
I
p
I
p
B
+
B
+
B
choke:
only primary is conducting
transformer:
both primary and secondary are
conducting simultaneously;
magnetic flux of both cancel out
(almost)
Konwerter współbieŜny
• W konwerterach współbieŜnych:
• Energia zostaje „transformowana” (nie
jest magazynowana w polu magnetycznym
rdzenia)
• Prąd magnesowania jest mały
• Zamiast dławika stosuje się transformator
o mniejszych gabarytach
• W konwerterach współbieŜnych
symetrycznych średni prąd magnesowania
jest zerowy
8
Przetwornice przeciwsobne
(współbieŜne) duŜej mocy
+Uout
+Uout
Uwagi ogólne
Praca z duŜą częstotliwością (10-200kHz) i
krótkimi czasami przełączania (10-200ns):
• Dobór diod i tranzystorów
• DuŜe zakłócenia
• Przepięcia
Projektowanie dławików i transformatorów”
• Zjawisko naskórkowości
• Pojemności pasoŜytnicze (rezonanse)
Podsumowanie
Zalety:
• DuŜa sprawność
• Małe wymiary
Wady:
• Mniejsze współczynniki stabilizacji
• Zakłócenia
• Nieco większe ceny
Przetwornice pojemnościowe (pompa ładunkowa) –
do własnych przemyśleń (n.ICL7660)
9
Zapamietać
• Zasada działania przetwornic
dławikowych:
– obniŜającej napięcie
– podwyŜszającej napięcie
– odwracającej napięcie
• Wady i zalety przetwornic
10