Stabilizované zdroje napětí a proudu

Transkript

1 Stabilizované zdroje napětí a proudu Lubomír Slavík TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií Materiál vznikl v rámci projektu ESF (CZ.1.07/2.2.00/ ), který je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem ČR

2 Obsah přednášky Stabilizované zdroje napětí základní vlastnosti činitel stabilizace vnitřní odpor lineární zdroje spínané zdroje Stabilizované zdroje proudu Ochranné prvky stabilizátorů Nabídka trhu

3 Napájecí zdroje Stabilizované zdroje napětí a proudu zařízení, které je schopné dodat elektrickému systému napětí či proud potřebný kjeho činnosti základní vlastnosti každé elektronické zařízení je nutné napájet je třeba rozlišovat signálové a napájecí svorky napájení Elektrický obvod standardní síťový napájecí zdroj 230V/50Hz t f Síťový transformátor 50Hz signálový vstup t f Usměrňovač signálový výstup t f Stabilizátor t f síť 230V/50Hz síťový transformátor primární vinutí magnetický obvod sekundární vinutí Ż n U U N N f t usměrňovač Usměrňovač t f

4 Jednocestný jednofázový usměrňovač s kapacitní zátěží zapojení i D D i Rz u d u C 2 R Z, u 2 i D i Rz charakteristiky USMER_1CEST_KAPACIT.CIR m 14.00m 28.00m 42.00m 56.00m 70.00m v(1) v(2) T m 90.00m 60.00m 30.00m 0.00m m 0.00m 14.00m 28.00m 42.00m 56.00m 70.00m i(d) T 12.50m 10.00m 7.50m 5.00m 2.50m 0.00m 0.00m 14.00m 28.00m 42.00m 56.00m 70.00m i(r) T

5 Dvoucestný jednofázový usměrňovač s kapacitní zátěží s diferenciálním transformátorem i D1 D 1 i Rz C R Z u 2 1 D 2 i D2 můstkový (Graetzův můstek), u USMER_2CEST_KAPACIT_GRAETZ.CIR D 4 i D1, i D2 i D1 D 1 i Rz i D1, i D m 10.00m 20.00m 30.00m 40.00m 50.00m v(1)-v(2) v(3) 3.50m T u m D 3 i D2 D 2 C R Z 2.10m 1.40m 0.70m 0.00m 0.00m 10.00m 20.00m 30.00m 40.00m 50.00m i(d1) i(d2) T

6 zdvojovač napětí. u 2 =2U 0 Násobiče napětí NASOBIC_KASKADNI.CIR u 2 C 2, u D2 u u D 2 i D1 D 1 D 2 u D i D2 C U 0 U out = 4 x U in. u 2 =4U m 60.00m m m m m v(6) v(7)-v(8) v(7)-v(6) T kaskáda Graetzových můstků 2U 0 2U 0 D 1 -D 4 C V1' C V2' D 5 -D 8 D 9 -D 12 C 2 D 1 D 2 C 4 D 3 D 4 u D4 C 1 i D2 C 3 C N1 C N2 C N3 C V1 C V2 U 0 2U 0. u 2 '=3U 0 u 2

7 Stabilizátory napětí Stabilizované zdroje napětí a proudu stabilizuje hodnotu napětí na výstupu omezuje zvlnění zdroje musí dodat do zátěže potřebný výkon činitel stabilizace rozdělení lineární parametrické zpětnovazební 3 a 4 svorkové spínané p U U1 U U U U 2 1 U U vnitřní odpor (chová se jako odpor v sérii s ideálním zdrojem) 1 2 t f Stabilizátor napětí 2 3 p r i U I OUT OUT t f

8 Parametrické stabilizátory napětí parametrické stabilizátory napětí využívají ke stabilizaci vhodný tvar převodní charakteristiky nelineárního prvku např. Zenerovy diody nebo diody Stabilizátor se Zenerovou diodou Stabilizované zdroje napětí a proudu Lineární stabilizátory napětí r z U 2 p 1 U 1 R rz i ZD AV charakteristika při i 2 = konst. i ZDmax i ZD0 i ZDmin 2 P 1 u ZD0 min max u ZD =u 2

9 U proudové posílení stabilizátoru se Zenerovou diodou, proud omezen vlastnostmi tranzistoru (I Cmax, P max ) 2 Stabilizátor s tranzistorem a Zenerovou diodou U Z U BE Vlastnosti stabilizátorů se Zenerovými a křemíkovými diodami jednoduchost zapojení nízká cena velký výběr hodnot stabilizovaných napětí - nízký činitel stabilizace - špatná teplotní stabilita poměrně velký vnitřní odpor malé proudy do zátěže (cca desítky ma) Diodový stabilizátor dioda nebo více diod v propustném směru i 1 R i 2 I F D u 2 R Z

10 Napěťové reference (Micro-power Voltage References) elektronická náhrada Zenerovy diody, ale výrazně lepší vlastnosti nízký sériový odpor (<1 Ohm) vyšší teplotní stabilita (<30 ppm/k) vysoká přesnost referenčního napětí a) R b) c) R NRO u 2 R Z NRO 10V 5V 2,5V U ref u NRO 1 u 2 R Z LM185 AD584 plynule nastavitelné napětí band gap reference využívají dvou tranzistorů a protichůdné teplotní závislosti U BE a I C nízké stabilní napětí (0,5 0,6V) R1 R2 Ucc 1M5 MAT k OP n T1 T2 R4 R5 U r 1,230 V R3 68k 133k 20k

11 obsahují Zpětnovazební stabilizátory napěťovou referenci (obvykle Zenerovu diodu buzenou proudovým zdrojem nebo band gap) rozdílový (diferenční) zesilovač, zesilující odchylku mezi požadovaným výstupním a referenčním napětím výkonový regulační člen, zajišťující korekci výstupního napětí podle regulační odchylky integrovány do jednoho pouzdra (IO) obsahují další prvky teplotní, proudová pojistka možnost vypínání napětí na výstupu Stabilizované zdroje napětí a proudu sériový regulační člen paralelní regulační člen

12 Lineární třísvorkové stabilizátory (LTS) nízké zvlnění vysoký činitel stabilizace nízká účinnost nutnost chlazení skladným nebo záporným výstupním napětím spevným nebo proměnným výstupním napětím a) u C 1 1 C 2 u 2 - a) LTS u C 1 C 1 2 u 2 GND LTS pevné kladné napětí 78xx xx = napětí LM317 C 1 C 2 LTS - - -u 2 - b) GND - u C 1 1 C 2 u 2 b) GND -- LTS - pevné záporné napětí 79xx xx = napětí LM337 C 1 C 1 R LTS sledovacího typu R - c) C 1 - C 2 C 2 C 3 C 3 u 2 GND -u 2 - LTS R 2 R 1 C N proměnné napětí sledovací stabilizátory obě polarity napájení (a dvě pouzdra, b jedno pouzdro) plovoucí stabilizátory vysoké napětí ovládáno vnějšími prvky LTS (tranzistor) C 2 u 2 -

13 Spínané zdroje (Switched Mode Power Supply) vysoká účinnost (>70%) rychlá regulace nižší rozměry a hmotnost - vyšší zvlnění řídí tok energie změnou střídy obdélníkového řídicího signálu spínače (PWM) vstup AC/DC Filtr DP Spínač Transformátor AC/DC Filtr DP výstup Řízení Comp Osc Ref frekvence spínání 50kHz 1MHz měniče (konvertory) DC/DC, obě napětí jsou stejnosměrná, ale obecně rozdílné velikosti měniče DC/AC, na výstupu je vynecháno usměrnění, výstup je střídavý měniče AC/AC, usměrnění je vynecháno na vstupu i výstupu

14 Kritéria rozdělení Podle velikosti spínacího kmitočtu zdroje skmitočtem sítě zdroje skmitočtem vyšším, něž síťovým (měniče) Podle toho, zda je použita cívka (transformace energie) zdroje s indukčností (cívka sferitovým jádrem nebo transformátor) zdroje bez indukčnosti (obsahují násobiče napětí) Podle srovnání výstupního napětí se vstupním obvody pro snížení napětí (konvertory typu Step Down) obvody pro zvýšení napětí (konvertory Step Up) invertory (Inverters) Podle způsobu přenosu energie ze vstupu na výstup zdroje s propustným zapojením (označované jako FORWARD) zdroje sakumulujícím zapojením (FLYBACK) zdroje sdvoučinným zapojením (PUSH PULL) zdroje smůstkovým zapojením (tzv. polomost nebo plný most)

15 Základní typy zapojení Stabilizované zdroje napětí a proudu STEP DOWN (U IN >U OUT ) STEP UP (U IN <U OUT ) a) S L u L b) L u L D i2 i 2 ' D C u 2 R Z i 1 S C u2 R Z i 2 c) S D d) i 1 D L u L C u2 R Z Tr C u2 R Z S invertor FLY BACK spínač S je obvykle tranzistor NPN nebo MOSFET (případně IGBT) na výstupu je vhodné zapojit filtr pro snížení zvlnění výstupního napětí

16 Princip pulzně šířkového řízení (Puls With Modulation PWM) u spin t 2 OBR12_42A.CIR t 1, u v(switch) T v(vstup) v(vystup) T střední hodnota výstupního napětí závisí na střídě spínacích pulzů (t 1 /t 2 ) spínací frekvence >> zvlnění vstupního napětí

17 Zdroje proudu výstupní proud je konstantní značení: Proudový zdroj s tranzistorem NPN (zapojeným jako emitorový sledovač)

18 Proudové zrcadlo při výběru stejných tranzistorů jsou shodné bázové proudy, následně při stejném zesílení tranzistoru (β) je i kolektorový proud stejný I z I ref I b1 = I b2 Proudový zdroj s linenárním stabilizátorem napětí výstupní proud je dán výstupním napětím a odporem mezi výstupními svorkami stabilizátoru

19 Proudový zdroj s OZ Stabilizované zdroje napětí a proudu Neinvertující zapojení OZ proud zátěží je dán vstupním napětím a odporem R1 nevýhoda plovoucí obvod Bootstrap zapojení proud zátěží je dán napětím reference a odporem R1 jeden konec zátěže spojen se společným bodem I z U R 1 1 I z U REF R 1

20 Proudové pojistky tavné pojistky T pomalá pojistka F rychlá pojistka elektronické pojistky tranzistorová pojistka tyristorová pojistka vratné polymerové pojistky polyswitche (mění strukturu s teplotou) Přepěťové pojistky Ochranné prvky stabilizátorů Stabilizované zdroje napětí a proudu tyristor nevede proud, dokud nejde proud řídicí elektrodou (i když je na něm napětí) vede proud i po odpojení řídicího proudu, když je na něm napětí

21 Kritéria při výběru zdroje počet výstupů napěťové úrovně proudové zatížení regulace proudové pojistky galvanické oddělení jednotlivých zdrojů činitel stabilizace rychlost reakce na proudové špičky typ zdroje lineární spínaný možnost 4 svorkového zapojení (měření napětí až na zátěži) komunikace sběrnice LAN, USB, RS232, GPIB

22 Nabídka trhu zdroje nejvyšší kvality spolehlivé dlouhodobá stabilita sběrnice GPIB, RS232, USB, LAN Agilent (USA) vysoký komfort obsluhy možnost 4 svorkového zapojení drahé Statron (Německo)

23 Nabídka trhu zdroje střední třídy Stabilizované zdroje napětí a proudu Sorensen BK precision

24 Nabídka trhu zdroje východní provenience a ČR Manson, Mastech, Xantrex, Diametral (ČR) Stabilizované zdroje napětí a proudu pro většinu aplikací postačující bez dálk. ovládání levné ( Kč)