Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Koncepce napájecích zdrojů Druhy zdrojů, stabilizace, regulace, charakteristiky.

Podobné prezentace


Prezentace na téma: "Koncepce napájecích zdrojů Druhy zdrojů, stabilizace, regulace, charakteristiky."— Transkript prezentace:

1 Koncepce napájecích zdrojů Druhy zdrojů, stabilizace, regulace, charakteristiky

2 Síťové zdroje typu AC/AC (transformátory, frekvenční měniče pro silnoproudé pohony) Síťové zdroje typu AC/AC (transformátory, frekvenční měniče pro silnoproudé pohony) Síťové zdroje typu AC/DC (běžné zdroje stejnosměrných napětí pro napájení elektronických zařízení) Síťové zdroje typu AC/DC (běžné zdroje stejnosměrných napětí pro napájení elektronických zařízení) Měniče typu DC/DC (integrované, obvykle hybridní měniče stejnosměrných napětí s galvanickým oddělením) Měniče typu DC/DC (integrované, obvykle hybridní měniče stejnosměrných napětí s galvanickým oddělením) Měniče typu DC/AC (obvykle zdroje střídavého napětí 230V, napájené ze stejnosměrného napětí 12V, označované jako invertory) Měniče typu DC/AC (obvykle zdroje střídavého napětí 230V, napájené ze stejnosměrného napětí 12V, označované jako invertory) Elektrochemické zdroje (primární zdroje, galvanické články a akumulátory) Elektrochemické zdroje (primární zdroje, galvanické články a akumulátory) Solární zdroje (od fotodiody až po solární baterie) Solární zdroje (od fotodiody až po solární baterie) Palivové články Palivové články

3 Zatěžovací stejnosměrné výstupní charakteristiky

4 Zatěžovací pulzní výstupní charakteristiky překmit „podkmit“

5 Napěťové převodní charakteristiky

6 Hodnota diferenciálního výstupního odporu zdrojů napětí R out > 0 ……všechny elektrochemické zdroje, většina elektronických zdrojů R out < 0 …… jen elektronické zdroje a jen v omezené části zatěžovací charakteristiky (nebezpečí rozkmitání) R out = 0 ……ideální zdroje napětí, elektronické zdroje jen v omezené části zatěžovací charakteristiky Stejnosměrný výstupní odpor zdrojů napětí je vždy kladný !

7 Činitel zvlnění Činitel zvlnění se pohybuje v intervalu od 0 do 200 %, tj. střídavá složka může být až dvojnásobná než složka stejnosměrná. u outp-p = výstupní stří- davá složka napětí špička- špička U o = stejno- směrná slož- ka výstupního napětí

8 Rozdělení síťových napájecích zdrojů typu AC/DC Lineární zdroje Lineární zdroje transformátor transformátor usměrňovač usměrňovač filtr filtr stabilizátor stabilizátor zátěž zátěž Spínané zdroje Spínané zdroje usměrňovač usměrňovač spínač spínač transformátor transformátor usměrňovač usměrňovač filtr filtr zátěž zátěž

9 Rozdělení zdrojů typu DC/DC Stejnosměrné vstupní napětí lze jen pasivně dělit (odporové a kapacitní děliče), nebo dělit a násobit integrovanými obvody se spínanými (lépe přepínanými) kapacitami. Násobení stejnosměrného napětí je možné pouze po převodu na napětí střídavé, patří sem: spínané zvyšující, snižující a invertující zdroje s cívkami spínané zvyšující, snižující a invertující zdroje s cívkami (vždy galvanicky spojen vstup a výstup, vždy jednočinné) spínané zdroje cívkami s odbočkou (autotransformátor) spínané zdroje cívkami s odbočkou (autotransformátor) (vždy galvanicky spojen vstup a výstup, více výstupních napětí) spínané zdroje s transformátory spínané zdroje s transformátory (někdy galvanicky spojen vstup a výstup, častěji oddělen, větší výkon) integrované (hybridní) DC/DC zdroje (součástka) integrované (hybridní) DC/DC zdroje (součástka) (vždy galvanicky oddělen vstup a výstup, více výstupních napětí)

10 Rozdělení zdrojů typu DC/AC Výkonové řízené generátory tvarových průběhů proměnných vyšších kmitočtů Výkonové řízené generátory tvarových průběhů proměnných vyšších kmitočtů (pulzy, pila, trojúhelník apod.) Nejčastěji zdroje typu =12V/~230V(50Hz): Nejčastěji zdroje typu =12V/~230V(50Hz): (V anglosasské literatuře označované jako invertory.) výstupní napětí obdélníkové (na principu multivibrátoru), výstupní napětí obdélníkové (na principu multivibrátoru), výstupní napětí lichoběžníkové (obvody s operační sítí), výstupní napětí lichoběžníkové (obvody s operační sítí), výstupní napětí sinusové (na principu PFC). výstupní napětí sinusové (na principu PFC).

11 Zdroje proudu Ideální zdroj proudu: a) I out = R Z = 0 ÷ ∞ b) R out = ∞ b) R out = ∞ c) U out = 0 ÷ ∞ c) U out = 0 ÷ ∞ Reálný zdroj proudu:

12 Zapojení zdrojů proudu a)parametrické – historicky např. variátor = žhavený Fe drát ve vakuu, s rostoucím napětím rostla teplota drátu a ten zvyšoval svůj odpor a tak i když rostlo napětí, nerostl (stabilizo- val se) proud b) dnes nejčastěji s třísvorkovým stabilizátorem napětí

13 Po připojení vstupního napětí a výstupní zátěže začne T1 protékat proud. Protékající proud vytváří úbytek napětí na R2. Při malých proudech je úbytek malý a nemůže otevřít tranzistor T3. Ale když proud stoupne, T3 se začne otevírat a odvádět část proudu do báze T1. Tím se T1 přivírá a výstupní proud poklesne. Nakonec se proud ustálí na určité hodnotě dané hodnotou velikosti R2. Celé zapojení pracuje jako stabilizátor proudu.

14 Pro proud I tranzistoru platí I 1 = I ZD + I B, kde I 1 je proud odebíraný z pomocného zdroje U 1 a jeho velikost je nastavena velikostí odporu R B, I ZD je proud Zenerovou diodou a I B proud, vtékající do báze tranzistoru T. Předpokladem správné činnosti tohoto zapojení zdroje konstantního proudu je vhodný tvar vstupní charakteristiky bipolárního tranzistoru. Toto zapojení má několik chyb, způso- bujících nekonstantnost proudu: a) kolísání napětí U ZD vlivem: - kolísání napětí U 1, - teplotní závislosti Zenerova napětí, - změny pracovního bodu ZD následkem změny pracovního bodu tranzistoru, b) kolísání napětí U BE vlivem: -pohybu pracovního bodu P po vstupní charakteristice, - teplotní závislosti této vstupní charakteristiky, c) změna proudu I C vlivem pohybu pracovního bodu ve výstupních charakteristikách tranzistoru, které nejsou zcela rovnoběžné s osou U CE

15 Budou-li tranzistory T1 a T2 zcela shod- né, pak lze předpokládat i shodnost jejich vstupních charakteristik. Nastavíme-li tedy vhodnou volbou odporu R B při daném napětí U 1 proud přechodem báze-emitor I B1, pak se na tomto přechodu nastaví napětí U BE1 a není žádný důvod, proč by napětí U BE2 mělo mít velikost jinou. Při předpokládané shodnosti obou tranzistorů pak proud tranzistorem T2 bude přesně stejně velký jako proud I B1. Protože proud I = I C2 je proudem kolekto- rovým a tranzistor T2 pracuje v zesilovacím reži- mu, pak proud, vtékající do báze tranzistoru T2 z odporu R B je menší: I B2 = I C2 / h 21E2. Použijeme-li tranzistory s dostatečně vysokým proudovým zesílením h 21E, pak ani velikost tohoto proudu neovlivní nastavování proudu I B1 tranzistoru T 1. Proud I je tedy nastaven tak přesně jako proud I B1, jak je vysoká hodnota proudového zesilovacího činitele (100x i více). Zdroj proudu s integrovanými tranzistory (proudové zrcadlo)

16 Pokud předpokládáme pro zjednodušení, že operační zesilovač OZ je ideální, pak napětí U 1 se musí rovnat napětí na odporu R. Rozdílové napětí mezi vstupy považujme za přibližně nulové, stejně jako vstupní odpor obou vstupů OZ za nekonečný. Potom jediný proud, který může na odporu R vyvolat úbytek napětí U R = U 1 je proud přitékající z výstupu OZ (vývod 6) přes odpor R Z a na velikosti tohoto zatěžovacího odporu nemůže tento úbytek záviset. Základní zapojení zdroje proudu s operačním zesilovačem Prouové posílení externím tranzistorem.

17 Zdroje proudu s unipolárními součástkami Vhodné jsou tedy typy JFET a MOSFET s ochuzovaným (zabudova- ným) kanálem. Typ MOSFET s oboha- covaným (indukovaným) kanálem se využít přímo nedá, protože při U GS = 0 tento tranzistor nevede a tedy jím neteče proud. Napětí na tranzistoru U DS musí při použití tranzistoru s charakteristi- kami podle obrázku být dostatečně velké, aby tranzistor pracoval vpravo za kolenem charakteristiky U GS = 0, kde platí přibližně I D = konst.

18 Lineární stabilizátory napětí (se spojitou regulací) parametrické (paralelní) parametrické (paralelní) s diodou (i LED) v propustném směru s diodou (i LED) v propustném směru se Zenerovou diodou v závěrném směru se Zenerovou diodou v závěrném směru s tranzistorem s tranzistorem s integrovaným obvodem (TL431) s integrovaným obvodem (TL431) zpětnovazební (sériové) zpětnovazební (sériové) s tranzistorem s tranzistorem s operačním zesilovačem a tranzistorem s operačním zesilovačem a tranzistorem integrované (sériové) integrované (sériové) třísvorkové třísvorkové vícesvorkové, výkonové, hybridní… vícesvorkové, výkonové, hybridní…

19 Spínané stabilizátory (s nespojitou regulací) Typu DC/DC Typu DC/DC  zvyšující, snižující, invertující, CUK (zvyšující i snižující)  nábojové pumpy, zdroje s cívkami, zdroje s transformátory  zdroje v propustném a blokujícím (akumulačním) zapojení  s diskrétními součástkami a integrovanými obvody  s kmitočtem sítě (historické), s kmitočty okolo 100 kHz Typu AC/DC Typu AC/DC  síťové spínané zdroje jednočinné (např. TopSwitch)  aktivní harmonické filtry (PFC)  síťové spínané zdroje dvojčinné  polomost (např. zdroje PC)  plný most (výkonné zdroje nad 500 W) DC/AC měniče, obvykle ze =12 V na ~230 V DC/AC měniče, obvykle ze =12 V na ~230 V

20 Druhy spínaných regulací U signálu diskrétních regulací lze měnit několik parametrů a tyto regulace se rozdělují i podle toho, jestli je spojitý nebo diskrétní zpětnovazební signál. U signálu diskrétních regulací lze měnit několik parametrů a tyto regulace se rozdělují i podle toho, jestli je spojitý nebo diskrétní zpětnovazební signál. –pulzně amplitudová regulace. Při přenosu PAM je analogový zpětnovazební signál měněn na impulsy stejné šířky, ale s amplitudou úměrnou amplitudě zpětnovazebního signálu. Ve spínanách zdrojích se užívá málo. pulzně amplitudová regulacepulzně amplitudová regulace –pulzně šířková regulace. Pulse Width Modulation PWM je diskrétní regulace pro přenos analogového zpětnovazebního signálu na dvouhodnotový výstupní signál. Amplituda signálu je převedena na střídu. Vzhledem ke svým vlastnostem je často využívána. pulzně šířková regulacepulzně šířková regulace –pulzně vypínaná regulace. Analogový zpětnovazební signál je nejprve komparátorem převeden na dvouhodnotový diskrétní signál a tím jsou vypínány výstupní řídící impulzy se střídou blízkou 1:1 do výkonové části zdroje. Výhodou je široký rozsah regulace. pulzně vypínaná regulacepulzně vypínaná regulace

21 Síťové lineární zdroje transformátory, usměrňovače, násobiče a filtry

22 Schema zapojení lineárního zdroje (transformátor – usměrňovač – filtr)

23 Usměrňovače Variantami jsou: prostý jednocestný usměrňovač, prostý jednocestný usměrňovač, jednocestný usměrňovač s nárazovou tlumivkou, jednocestný usměrňovač s nárazovou tlumivkou, jednocestný usměrňovač s protinapětím. jednocestný usměrňovač s protinapětím. Jednocestný usměrňovač s nabíjecím kondenzátorem (vysoké U o, malé I o, velké zvlnění)

24 Dvoucestný usměrňovač s nabíjecím kondenzátorem (nízké U, velké I, malé zvlnění), C N = 300. I / ( p. U o ) [µF; mA, %, V] Nevýhoda: potřeba dvou symetrických sekundárních vinutí transformátoru, Výhoda: transformátor není buzen stejnosměrnou složkou proudu, zvlnění výstupního napětí má dvojnásobnou frekvenci sítě, poloviční amplituda zvlnění při stejném C N.

25 Můstkový usměrňovač s nabíjecím kondenzátorem (střední U, velké I, malé zvlnění) Můstkový usměrňovač s nárazovou tlumivkou (ztrátové parametry cívky jsou menší než kondenzátoru) usměrňovač jsou pouze diody D 1 – D 4, kondenzátor C N je nabíjecí (akumulační, vyhlazovací, vyrovnávací, ale ne filtrační) cívka L N je „nárazová“ z hlediska připojení k usměrňovači, ale současně i filtrační, tvoří s kondenzátorem C F také LC filtr

26 Volba diod v usměrňovači volba propustného proudu – dioda se volí na tepelnou zátěž, tj. na největší hodnotu stejnosměrného výstupního proudu (u dvoucestného a můstkového na polovinu této hodnoty), I F = I out volba propustného proudu – dioda se volí na tepelnou zátěž, tj. na největší hodnotu stejnosměrného výstupního proudu (u dvoucestného a můstkového na polovinu této hodnoty), I F = I out volba závěrného napětí – volíme na dvojnásobek špičkové hodnoty usměrňovaného napětí, U R = 2. √2. U in (ve skutečnosti složitější) volba závěrného napětí – volíme na dvojnásobek špičkové hodnoty usměrňovaného napětí, U R = 2. √2. U in (ve skutečnosti složitější) volba vypínací doby τ rr – podle kmitočtu usměrňovaného napětí by hodnota τ rr měla být menší než 10 % z T/2, volba vypínací doby τ rr – podle kmitočtu usměrňovaného napětí by hodnota τ rr měla být menší než 10 % z T/2, volba pulzního proudu I p – dnešní diody jsou až 100 x přetížitelné pulzně bez poškození, I p ~ 100. I F volba pulzního proudu I p – dnešní diody jsou až 100 x přetížitelné pulzně bez poškození, I p ~ 100. I F volba pouzdra – diody jednoduché, dvojité (obvykle spojené katody), čtyřnásobné (obvykle zapojeny do můstku), s chladicím křidélkem, volba pouzdra – diody jednoduché, dvojité (obvykle spojené katody), čtyřnásobné (obvykle zapojeny do můstku), s chladicím křidélkem, volba typu diody – Si (PN), Schottky, synchronní usměrňovač s FET volba typu diody – Si (PN), Schottky, synchronní usměrňovač s FET

27 Filtry napájecích zdrojů filtry pasivní RC jednoduché kaskádní LC jednoduché kaskádní aktivní násobiče kapacity zpětnovazební filtry

28 Pasivní filtry napájecích zdrojů  = .R.C = 2. .f.R.C  =  2.L.C = (2. .f) 2.L.C  = (R+X C +ESR) / (X C +ESR)  = (Z L + Z C ) / Z C

29 Kvalita kondenzátoru ve filtru Má-li filtr být účinný, musí platit pro kondenzátor podmínka: běžný Al elektrolyt ESR ~ 3 Ω tantal elektrolyt ESR ~ 0,3 Ω nízkoztrátové elektrolytické kondenzátory ESR ~ 0,03 Ω ESR << X C = 1/ (ω.C)

30 Aktivní filtry napájecích zdrojů (násobiče kapacity) Hodnota kapacity kondenzátoru C F je násobena velikostí proudového zesilovacího činitele h 21e tranzistoru T (i Darlingtonovo zapojení), tj. jako by na výstupních svorkách byl zapojen kondenzátor o kapacitě C F. h 21e. Úbytek napětí na tranzistoru U CE musí být větší než napětí U CES, aby tranzistor pracoval jako zesilovač ve třídě A. Dalšího zvýšení činitele filtrace dosáhneme kaskádním filtrem, kdy: φ celkové = φ 1. φ 2 = = ω. R B1. C F1. ω. R B2. C F2

31 Výpočet aktivního filtru 1) Pro vyšší účinnost volíme U CE > U CES, tedy U CE = (2 ÷ 3) V. 2) Potom vypočteme R B = (U 1 – U BE – U 2 ). h 21E / I out. 3) Má-li filtr φ = u 1 / u 2 krát snižovat obsah střídavé složky, pak: 4) C F = φ / (ω. R B. h 21e ) = φ / ( 2. π. f. R B. h 21e ), kde f je kmitočet filtrované střídavé složky, φ je požadovaný činitel filtrace a h 21e je proudový zesilovací činitel tranzistoru


Stáhnout ppt "Koncepce napájecích zdrojů Druhy zdrojů, stabilizace, regulace, charakteristiky."

Podobné prezentace


Reklamy Google