Wyklad 6 PFE2011 stabilizator sprzezenie generator [tryb zgodności]

5/11/2011
2011
Stabilizator napięcia
Zasilacze
Źródło energii elektrycznej dla układu wykonawczego:
źródło napięciowe,
źródło prądowe (ogranicznik prądu),
zabezpieczenie przed przegrzaniem, zapaleniem, porażeniem itp.
Zasilacz przetwarza energię elektryczną pobieraną z sieci
Standardowy schemat blokowy zasilacza:
WEJŚCIE
WYJŚCIE
sieć
obciążenie
transformator
prostownik
stabilizator
filtr
Transformator:
dopasowanie przemiennego napięcia sieci do napięcia wyjściowego zasilacza
galwaniczna izolacja układu elektronicznego od sieci
Prostownik:
przekształcenie prądu przemiennego na prąd zmienny płynący w jednym kierunku
Najprostszy prostownik jednopołówkowy: dzielnik napięcia z diodą prostowniczą
Prostownik jednopołówkowy
WE
WY
100
80
60
40
20
-4
-2
0
I
U
2
4
6
1
5/11/2011
Prostownik dwupołówkowy:
większa wydajność, większa zawartość składowej stałej w widmie wyjściowym,
podstawowa składowa pulsacji wynosi 100 Hz.
podstawowy układ: mostek Graetza
+
+
WY
RL
WE
WE
WY
WE
-
RL
WY
-
UKŁAD
GRAETZA
Dla układów wymagających dużych
prądów stosuje się trójfazowe
prostowniki dwupołówkowe:
UWY
+
R
S
t
T
-
niewielka zawartość składowych harmonicznych
najmniejsza częstość pulsacji wynosi 300 Hz
C
Filtry dolnoprzepustowe:
RL
UWY
UMAX
UMIN
T
t
typu RC lub typu RL (dla dużych prądów wyjściowych) do wyeliminowania pulsacji
Stała czasowa RC musi być większa od okresu pulsacji
Na przykład, jeśli dopuszczalny zakres fluktuacji napięcia wyjściowego 10 %,
minimalna pojemność C wynika z warunku:
[
]
U MAX − U MIN ≈ U MAX 1 − e − T / RL C < 0.1 ⋅ U MAX
T jest okresem pulsacji.
Dioda i kondensator powinny mieć odporność na przebicie:
U = 2 2U
R
MAX
2
5/11/2011
Stabilizatory napięcia
element
aktywny
Zasada działania: dzielnik napięciowy
stabilizatory szeregowe i równoległe,
w zależności od położenia elementu
regulującego względem wyjścia
WE
RL
WY
R
WE
element
aktywny
Stabilizatory równoległe:
RL
R
Najprostszy: stabilizator z diodą Zenera , UWY ≈ UZ
UWE>UZ
Stopień stabilizacji zależy od stabilności obciążenia
UWY=UZ
+
Wzmacniacz o wspólnym kolektorze
dzielnik napięcia z diodą Zenera pełni rolę
źródła napięcia odniesienia
element aktywny - tranzystor
UWE
UWY=UZ + 0.7V
Wada stabilizatorów równoległych:
stały pobór prądu ze źródła napięcia bez obciążenia wyjścia
Stabilizatory szeregowe:
niewielki pobór prądu ze źródła bez obciążenia wyjścia
(wzmacniacze o wspólnym kolektorze)
wahania napięcia wyjściowego wraz ze zmianą
UWE
obciążenia i temperatury do kilku procent!
UWY=UZ - 0.7V
3
5/11/2011
Stabilizatory napięcia ze wzmacniaczami błędu – znacznie bardziej dokładne
Element regulacyjny
U WY = U Z
R1
UWE
-
UZ
wzorzec
napięcia
R1 + R2
R2
+
wzmacniacz
błędu
R2
Próbkowanie napięcia wyjściowego
Porównywane napięcie wyjściowe we wzmacniaczu błędu z napięciem wzorcowym
wzmacniacz steruje tranzystorem (regulacja rezystancji tranzystora)
zmniejszenie zależności napięcia od temperatury tranzystora
układ pozwala na stabilizację dowolnego napięcia UWE > (UZ + 0.7V)
W praktyce: UWE > UZ + 2V
Wada: uszkodzenia przy zbyt wielkim poborze prądu
Moc cieplna wydzielana w tranzystorze regulującym: P=(UWE-UWY)*I
Zwarcie wyjścia P → ∞.
Stabilizator napięcia z ogranicznikiem prądu
zabezpieczenie przed nadmiernym poborem prądu ze stabilizatora
RST
T1
R1
T2
+
R2
Niewielki pobór prądu => tranzystor T2 zablokowany.
Duży pobór prądu
=> spadek napięcia około 0.7 V na rezystorze RST
=> tranzystor T2 przewodzi blokując przepływ prądu tranzystora T1
=> zmniejszenie napięcia wyjściowego
Maksymalny prąd wyjściowy:
I
MAX
=
0.7V
R
ST
Duży pobór prądu powoduje wydzielanie ciepła w tranzystorze T1
4
5/11/2011
Uniwersalne stabilizatory napięć z ogranicznikami prądu układy scalone
Przykład: układ scalony µA 723 do budowy stabilizatorów liniowych i impulsowych.
Ćwiczenie: Stabilizator napięcia
Zasilacz stabilizowany 12V z układem µA723
Przetwornice - stabilizatory impulsowe o dużej sprawności
napięcie sieciowe jest prostowane,
modulowane z wysoką częstością
impulsy wysokiej częstości transformowane
prostowanie i filtrowanie
na wyjściu wytwarzane jest napięcie stałe
Stabilizacja napięcia wyjściowego: automatyczna regulacja szerokości
impulsów modulujących w stosunku do okresu ich powtarzania (τ/T)
Przy wysokiej częstości (10 - 20 kHz): miniaturyzacja transformatora,
niewielkie pojemności filtrujące, wysoka sprawność zasilacza
„inteligentne” zasilacze sterowane mikroprocesorem
5
5/11/2011
Półprzewodnikowe stabilizatory napięć standardowych
(5V, 9V, 12V, 15V, 24V itd,) zabezpieczone termicznie i prądowo
Foto: Piotr Górecki
Powielacz napięcia
Zastosowanie:
źródła wysokiego napięcia stałego o niewielkiej (ok. 1 mA) wydajności prądowej
Diodowo - pojemnościowe powielacze napięcia
Przykład – „podwajacz” napięcia:
wejście: źródło napięcia zmiennego
wyjście: stałe napięcie
Wydajność prądowa zależy od częstości impulsów ze źródła
Przy wysokich stopniach powielenia, napięcia wyjściowe mogą przekraczać
dziesiątki tysięcy woltów dla układów zbudowanych z elementów niskonapięciowych!
6
5/11/2011
Sprzężenie zwrotne:
- oddziaływanie skutku na przyczynę
- wpływa na własności układu elektronicznego
Wzmacniacz: podstawowy układ elektroniczny ze sprzężeniem zwrotnym.
Pętla sprzężenia zwrotnego przenosi część sygnału z wyjścia na wejście „IN”
umożliwiając dodawanie do sygnału wejściowego „WE”.
AIN=AWE+Af
Wzmocnienie wzmacniacza: k = AWY AIN
k
AIN
AWE
Stopień sprzężenia zwrotnego: β = Af AWY
AWY
Af
β
A =A +A
ponieważ:
IN
WE
f
k =
wypadkowe wzmocnienie układu ze sprzężeniem:
f
A
A
k
=
=
A
A − A 1 − βk
WY
WY
WE
IN
f
Wzmacniacz i układ sprzężenia zwrotnego przesuwają fazę:
k = k exp( jφ )
Stąd, wzmocnienie wzmacniacza
ze sprzężeniem zwrotnym:
k =
f
β = β exp( jψ )
k (cos φ + j sin φ )
1 − kβ [cos(φ + ψ ) + j sin(φ + ψ )]
Szczególne przypadki:
k =
k
1 − kβ
ujemne sprzężenie zwrotne φ+ψ=(2n+1)π k f =
k
1 + kβ
dodatnie sprzężenie zwrotne φ+ψ=2nπ
oraz
f
zwiększenie efektywnego
wzmocnienia wzmacniacza
zmniejszenie efektywnego
wzmocnienia wzmacniacza
Rodzaj sprzężenia zwrotnego wpływa na własności urządzeń elektronicznych
Stabilność wzmocnienia: stabilność bezwzględna := γ = dk f dk
Dla dodatniego sprzężenia zwrotnego
γ =
1
(1 − βk )
>1
2
czyli stabilność wzmacniacza pogarsza się
Dla ujemnego sprzężenia zwrotnego:
γ =
1
(1 + βk )
2
<1
czyli ujemne sprzężenie zwrotne poprawia stabilność układu
Jeśli duże wzmocnienia
(k
→ ∞
)
i ujemne sprzężenie, to
kf →1 β
Parametry układu są wyznaczone tylko przez parametry układu sprzężenia
zwrotnego, które mogą być bardzo stabilne (elementy bierne)
7
5/11/2011
Sprzężenie zwrotne ustala pasmo transmisji układów elektronicznych
Charakterystyka wzmacniacza podobna jak dla filtra dolnoprzepustowego
k (ω ) =
k0
wzmocnienie
ω
1+ j
ωg
dodatnie sprzężenie zwrotne
bez sprzężenia
Wzmocnienie układu ze sprzężeniem zwrotnym β:
k (ω )
k f (ω ) =
=
1 − kβ (ω )
ujemne sprzężenie zwrotne
k0
jω
1+
ωg+
ωg
1−
βk 0
jω
1+
ωg
Oznaczając: ω fg
= ω (1 − β k
g
otrzymujemy wzmocnienie układu ze sprzężeniem:
Ujemne sprzężenie zwrotne:
zmniejszenie maks. wzmocnienia
zwiększenie częstości granicznej
ωg
0
)
k f (ω ) =
ωg-
częstość
k = k / (1 − β k
f0
0
0
)
kf0
1+ j ω
ω fg
Dodatnie sprzężenie zwrotne:
zwiększenie maks. wzmocnienia
ograniczenie pasma przenoszenia
Ujemne sprzężenie - korzystna modyfikacja własności układu elektronicznego
zwiększenie stabilności,
redukcja współczynnika szumów,
poszerzenie pasmo częstości
Zmniejszenie efektywnego współczynnika wzmocnienia nie jest ograniczeniem!
RL
CBC
RE
Ujemne sprzężenie zwrotne: do stabilizacji punktu pracy - za pomocą rezystora
RE umieszczanego w emiterze
Występuje w postaci efektu Millera, (pojemność CBC):
ograniczenie wzmocnienia dla wysokich częstości
Dodatnie sprzężenie zwrotne oddziałuje niekorzystnie na układ;
w zasadzie stosowane tylko w generatorach
8
5/11/2011
Generatory
- najczęściej wzmacniacze z silnym dodatnim sprzężeniem zwrotnym
kf =
k
k
1 − kβ
dla kβ→1
wzmocnienie efektywne układu
β
kf → ∞
E
WY1
WY1
WY2
WY2
Multiwibrator astabilny (generator przebiegów prostokątnych)
połączone w pętli dwa wzmacniacze o wspólnym emiterze (każdy odwraca fazę)
oba tranzystory pracują w nasyceniu !
dwie sprzężone bramki NAND
osc2.ckt
osc3.ckt
Generator przebiegów sinusoidalnych
Zasada: dodatnie sprzężenie zwrotne tylko dla ograniczonego pasma częstości
Warunek sprzężenia zwrotnego spełniony tylko dla częstości rezonansowej ωo
Przebiegi sinusoidalne o częstości ωo
Podstawowe układy wzmacniaczy odwracających fazę z dodatnim sprzężeniem rezonansowym
+
Meissnera
Z przesuwnikami fazowymi:
+
+
Hartleya
Colpitsa
+
+
Oscylacje przy częstości, dla której przesunięcie fazowe wynosi 180o
-4
Stabilność częstości (∆ν⁄ν
∆ν⁄ν)
∆ν⁄ν układów ze sprzężeniem RLC nie przekracza 10
Można także budować generatory ze wzmacniaczami nieodwracającymi fazy
reconator.ckt
9
5/11/2011
Oscylator kwarcowy w pętli rezonansowej sprzężenia zwrotnego
Zwiększenie stabilności częstości oscylacji (drgania układów mechanicznych)
Kryształy kwarcu mają własności piezoelektryczne
Efekt piezoelektryczny jest odwracalny: przykładanie napięć do ścian kryształu
piezoelektrycznego powoduje jego odkształcanie
oscylator kwarcowy układ rezonansowy szeregowo-równoległy
oscylator kwarcowy i jego układ zastępczy
E
rezonans
równoległy
I h.
impedancja
WY1
rezonans
równoległy
II h
rezonans
szeregowy II h
rezonans
szeregowy I h
WY2
częstość
OSCYLATOR
Stabilność częstości może przekraczać 10
-7
Podstawowe układy generatorów kwarcowych są nieprzestrajalne
reconator.ckt
Syntezery
- generatory kwarcowe o częstości regulowanej
dzielenie częstości za pomocą techniki cyfrowej
mnożenie i sumowanie częstości w technice nieliniowej
Stabilność odpowiada stabilności wzorcowego generatora kwarcowego
programator
generator
kwarcowy
WYJŚCIE
nω
m
sinus
ω
powielacz
częstości
generator
sterowany
napięciem
m
nω
dzielnik częstości
nω
m
DC
prostokąt
detektor
fazy
Phase Locked Loop
Syntezery stosowane w badaniach naukowych i telekomunikacji
także w odbiornikach radiowych i telewizyjnych
10