Zasilanie sterowników i urządzeń automatyki
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