1 nap.zdr.kl. KLASICKÉ A IMPULZNÍ NAPÁJECÍ ZDROJE A3B35APE APLIKOVANÁ ELEKTRONIKA ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE Fakulta elektrotechnická, Katedra.

Prezentace na téma: "1 nap.zdr.kl. KLASICKÉ A IMPULZNÍ NAPÁJECÍ ZDROJE A3B35APE APLIKOVANÁ ELEKTRONIKA ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE Fakulta elektrotechnická, Katedra."— Transkript prezentace:

1 1 nap.zdr.kl. KLASICKÉ A IMPULZNÍ NAPÁJECÍ ZDROJE A3B35APE APLIKOVANÁ ELEKTRONIKA ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE Fakulta elektrotechnická, Katedra řídicí techniky Jako „napájecí zdroj“ nazýváme soubor elektronických obvodů, který (ve většině případů) převádí střídavé napětí sítě na stejnosměrné napětí použitelné pro napájení přístrojů. Blokové schéma klasického napájecího zdroje: Obvykle jde o změnu hodnoty (transformaci) síťového napětí, galvanické oddělení, usměrnění, filtraci, stabilizaci a ochranu proti přetížení. Pozn.: v méně exponovaných zařízeních často postačí pouze první dva členy uvedeného schéma

2 2 nap.zdr.kl. Frekvence střídače bývá v rozsahu 10 3 – 10 6 Hz. Vzhledem k tomu jsou induktory a transformátory objemově i hmotnostně velmi malé, zařízení vyzařuje minimum tepla a může být proto i konstrukčně velmi malé. Na druhé straně je však komplikovanější. Pro vyšší výkony, nebo ve speciálních případech s požadavkem na max. účinnost zdroje, se používají impulzní napájecí zdroje: Zde se síťové napětí bez transformátoru usměrňuje a ss napětí se přivede na střídač, který je (obvykle) řízený metodami PWM a zpětnou vazbou. Pulzní napětí na výstupu střídače se pomocí pulzního transformátoru (obvykle s ferritovým jádrem) transformuje na požadovanou úroveň, usměrňuje a filtruje.

3 3 nap.zdr.kl. KLASICKÉ NAPÁJECÍ ZDROJE parametrklasický zdrojspínaný zdroj účinnost [%] 3075 rozměry [W/cm 3 ] 0.05 0.2 hmotnost [W/kg]2020100 výstupní zvlnění [mV] 5 50 šumové napětí [mV]5050200 odezva na skok [ms]20 1 doba náběhu [ms] 2 20 cenaroste s výkonempřibližně konstantní Porovnání některých typických parametrů klasických a spínaných zdrojů: Problematika návrhu transformátoru, usměrňovače a filtru je popisována v každé elektronické učebnici po celou dobu existence elektroniky.

4 4 nap.zdr.kl. Tři základní typy usměrňovačů: jednocestný (jednopulzní)dvoucestný (dvoupulzní) Příklad průběhu napětí na výstupu jednocestného usměrňovače bez výstupního kapacitoru a s kapacitorem: Problémy návrhu zdroje:- návrh transformátoru (přenášený výkon) - volba typu usměrňovače (napěťové a proudové namáhání diod) - návrh filtru (požadované zvlnění výst. napětí)

5 5 nap.zdr.kl. Většina elektronických systémů vyžaduje stabilizované napájecí napětí, tedy ideální zdroj napětí s nulovým (nebo velmi malým) vnitřním odporem. To zaručují stabilizátory nebo též regulátory napětí. Stabilizátory napětí jsou obvykle jednoduché obvody pracující na principu parametrického stabilizátoru, s použitím Zenerovy nebo lavinové diody ve známém zapojení. Používají jen okrajově protože je na trhu dostatečný výběr levných regulátorů napětí v integrované podobě. Parametrické stabilizátory navíc nezaručují ani elektronickou ochranu proti zkratu nebo nadproudu. Regulátory napětí pracují na zpětnovazebním principu, tj. výstupní napětí je porovnáno s napětím referenčního zdroje, rozdíl (odchylka) je zpracován a pomocí výkonového zesilovače ovládán přívod energie na výstup tak, aby se odchylka minimalizovala. Stabilizace a regulace napětí u klasických napájecích zdrojů Rozlišujeme regulátory spojité a nespojité. Jako samozřejmý požadavek je dále vyžadována elektronická ochrana proti zkratu nebo nadproudu, který by mohl ohrozit provoz zařízení.

6 6 nap.zdr.kl. Parametrický stabilizátor (se Zenerovou nebo lavinovou diodou) Parametrem, určujícím výstupní napětí, je Zenerovo napětí použité diody. Rezistor R 1 se volí podle nerovnosti: Proud diody volíme obvykle vyšší než 0,2 I Zmax, aby pracovala v lineární části charakteristiky. Parametrický stabilizátor se Zenerovou diodou a VA charakteristika při různých Zenerových napětích a teplotách přechodu: a současně tak, aby se maximalizoval činitel stabilizace p: kde r z je diferenciální odpor diody v "Zenerově" oblasti

7 7 nap.zdr.kl. Regulátory ss napětí Proporcionální regulátor porovnává výstupní napětí s napětím referenčního zdroje. Odchylku zesiluje a pomocí výkonového zesilovače ovládá přívod energie tak, aby se odchylka minimalizovala. Poruchovou veličinou je změna proudového odběru nebo kolísání vstupního napájecího napětí. Spojité regulátory ss napětí Rozlišujeme regulátory spojité, kde řízení přívodu energie vykonává lineární zesilovač ve třídě A, nebo AB v různém zapojení. Druhou alternativou jsou regulátory nespojité, kdy přívod energie do systému je řízen pulzním zesilovačem s PWM nebo jinou pulzní modulací. Příklad zapojení

8 8 nap.zdr.kl. Výhodou spojitého regulátoru je jednoduchost, minimální zvlnění výstupního napětí a zejména tento regulátor nevyzařuje vf rušení do jiných obvodů. Nevýhodou je především nízká energetická účinnost, která omezuje použití při vyšších proudech. S tím souvisí i komplikovanější odvod ztrátového tepla, což objemově a hmotnostně komplikuje návrh. Regulátor ss napětí s proudovým zesilovačem a proudovým omezovačem Příklad zapojení a VA charakteristik:

9 9 nap.zdr.kl. Integrované regulátory ss napětí Podobně jako každé často opakované elektronické obvody se i lineární spojité regulátory napětí vyrábějí jako integrované obvody. Pro aplikace, kde požadujeme přesně definované pevné napětí, se vyrábějí tzv. třísvorkové regulátory. Typickým představitelem této třídy obvodů je řada..7805, 7809, 7812, 7815, 7824. Vyrábějí se pro pevná napětí, která jsou zakódována v posledním dvojčíslí a proudy do 1A v pouzdru TO220, nebo pro proudové odběry do 0,1A v miniaturním plastikovém pouzdru TO92. Tato řada je označena písmenem L uprostřed (78L15 a pod.). Pro záporná napětí existují podobné řady označené 7905, 7912...nebo 79L12 atd.). Příklad aplikace

10 10 nap.zdr.kl. Existuje další kategorie třísvorkových nastavitelných regulátorů, které pomocí vnějšího potenciometru mohou měnit žádanou hodnotu napětí ve velmi širokých mezích. Např. typy LM317T, LM337T mohou regulovat napětí v rozsahu 1,2 V až 37 V. Podmínkou správné funkce je dodržení rozdílu mezi vstupem a výstupem alespoň 2,5 V. Všechny typy obsahují teplotně kompenzovaný referenční zdroj, proudové ochrany a tepelné pojistky, které při překročení dovoleného oteplení odpojují koncový zesilovač. Výhody nespojitých regulátorů napětí se projevují při vyšších výkonech, kde jejich vysoká účinnost minimalizuje problémy s chlazením. Používají se obvykle jako součást DC/DC měničů. Nespojité regulátory ss napětí Nevýhody nespojitých regulátorů souvisí především s větší složitostí, cenou a po technické stránce s většími problémy s vf rušením a nutnou filtrací výstupního napětí. Vzhledem ke stále se rozšiřující nabídce specializovaných IO pro pulzní zdroje mají uvedené nevýhody stále menší význam.

11 11 nap.zdr.kl. DC/DC PŘEVODNÍKY (bez induktorů, s induktory viz imp. napájecí zdroje) Delonův násobič napětí Greinacherův zdvojovač napětí Vsuvka: ZDVOJOVAČE A NÁSOBIČE NAPĚTÍ

12 12 nap.zdr.kl. Využití zdvojovačů a násobičů pro DC/DC měniče Ukázky dvou jednoduchých varianty DC/DC měničů s použitím násobiče: Měniče podobné předchozím ukázkám se vyrábějí jako specializované integrované obvody. Nejčastěji se používají pro získání záporného napětí pro symetrické napájení jednoho nebo několika operačních zesilovačů nebo naopak pro získání dvoj i vícenásobného napětí. Napájecí napětí nejčastěji bývá +5V, výstup alternativně -5V, +10V a pod. DC/DC převodníky (měniče) bez induktorů v integrované verzi

13 13 nap.zdr.kl. Příkladem této kategorie může být obvod ICL 7660 (LTC 1046) Je to obvod, který pouze se dvěma vnějšími kapacitory vytváří záporné napájecí napětí s odběrem do 60mA. Protože je vstupní napětí pouze v rozsahu 1,5 až 6V, velké úbytky napětí na diodách v otevřeném stavu by byly příčinou napěťových ztrát. Používá se proto tzv. nábojové pumpy. Pod tímto názvem se skrývá technika spínaného kapacitoru, která je rovněž základem pro SCF filtry. Princip činnosti nábojové pumpy v obvodu LTC 1046 a frekvenční charakteristika pro určení C 2, požadujeme-li zvlnění <1%:

14 14 nap.zdr.kl. Aplikační zapojení a zatěžovací charakteristika obvodu: LITERATURA [1] Vysoký O.: Elektronické systémy II, vydavatelství ČVUT, Praha 2005 [2] Hlinovský M., Honců J., Němeček P., Vysoký O.: Elektronické systémy Návody ke cvičením, vydavatelství ČVUT, Praha 2006 [3] Krejčiřík J.: Impulzní napájecí zdroje I. a II., BEN, Praha, 1996