POČÍTAČOVÁ PODPORA NÁVRHU NAPÁJECÍCH ZDROJŮ

Transkript

1 VYSOKÉ UČEÍ TECHICKÉ V BRĚ BRO UIVERSITY OF TECHOLOGY FAKULTA ELEKTROTECHIKY A KOMUIKAČÍCH TECHOLOGIÍ ÚSTAV TEORETICKÉ A EXPERIMETÁLÍ ELEKTROIKY FACULTY OF ELECTRICAL EGIEERIG AD COMMUICATIO DEPARTMET OF THEORETICAL AD EXPERIMETAL ELECTRICAL EGIEEERIG POČÍTAČOVÁ PODPORA ÁVRHU APÁJECÍCH ZDROJŮ PROGRAMS FOR SUPPORT OF POWER SOURCES DESIG BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR S THESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR Josef Karásek Ing. Miloslav Seinbauer, Ph.D BRO, 010

2

3

4 VLOŽIT PRVÍ LIST LICEČÍ SMLOUVY (neplaí pro Semesrální projek)

5 VLOŽIT DRUHÝ LIST LICEČÍ SMLOUVY (neplaí pro Semesrální projek)

6 ABSTRAKT Má bakalářská práce se zabývá popisem lineárních a spínaných napájecích zdrojů a návrhem paramerů jejich konsrukčních prvků. Cílem mé práce je nasudova eorii lineárních zdrojů a zdrojů spínaných (konkréně blokujícího a jednočinného propusného měniče) a poé vyvoři program pro podporu návrhu paramerů jejich klíčových obvodových prvků. KLÍČOVÁ SLOVA Spínaný zdroj, spojiý zdroj, ransformáor, usměrňovač, blokující měnič, propusný jednočinný měnič ABSTRACT My bachelor s hesis pu I mind o descripion linear power supply and swiched power supply and proposal heir componen. Produce my projec is work up heory forward, flyback converer, linear power supply and afer make an example program which calculae value of paricular componens. KEYWORDS Swiched power supply, linear power supply, ransformer, recifier, forward converer, flyback converer

7 KARÁSEK, J. Počíačová podpora návrhu napájecích zdrojů. Brno: Vysoké učení echnické v Brně, Fakula elekroechniky a komunikačních echnologií. Úsav eoreické a experimenální elekroniky, s., 1 s. příloh. Bakalářská práce. Vedoucí práce: ing. Miloslav Seinbauer, Ph.D.

8 PROHLÁŠEÍ Prohlašuji, že svou bakalářskou práci na éma Počíačová podpora návrhu napájecích zdrojů jsem vypracoval samosaně pod vedením vedoucího bakalářské práce a s použiím odborné lieraury a dalších informačních zdrojů, keré jsou všechny ciovány v práci a uvedeny v seznamu lieraury na konci práce. Jako auor uvedené bakalářské práce dále prohlašuji, že v souvislosi s vyvořením éo bakalářské práce jsem neporušil auorská práva řeích osob, zejména jsem nezasáhl nedovoleným způsobem do cizích auorských práv osobnosních a/nebo majekových a~jsem si plně vědom následků porušení usanovení 11 a následujících zákona č. 11/000 Sb., o právu auorském, o právech souvisejících s právem auorským a o změně někerých zákonů (auorský zákon), ve znění pozdějších předpisů, včeně možných resněprávních důsledků vyplývajících z usanovení čási druhé, hlavy VI. díl 4 Tresního zákoníku č. 40/009 Sb. V Brně dne (podpis auora) PODĚKOVÁÍ Děkuji vedoucímu bakalářské práce Ing. Miloslavu Seinbauerovi, Ph.D. za účinnou meodickou, pedagogickou a odbornou pomoc a další cenné rady při zpracování mé bakalářské práce. V Brně dne (podpis auora)

9 OBSAH Seznam obrázků Seznam abulek xi xii Úvod 13 1 Spojié napájecí zdroje Transformáor Princip činnosi ransformáoru Zráy v ransformáoru Hlavní součási ransformáoru ávrh síťového ransformáoru Usměrňovače ávrh jednocesného usměrňovače ávrh dvoucesného usměrňovače ávrh můskového usměrňovače...0 Spínané napájecí zdroje 1.1 Rozdělení spínaných zdrojů.... Měniče bez ransformáoru Snižující měnič (sep-down) Inverující měnič (buck-boos) Měniče s ransformáorem Blokující měnič Propusný měnič Dvojčinný můskový propusný měnič POPIS PROGRAMU Blokující měnič Propusný měnič Daabáze jader Usměrňovače Závěr 49 ix

10 Lieraura 50 Seznam symbolů, veličin a zkraek 51 Seznam příloh 53 x

11 SEZAM OBRÁZKŮ Obr Hyserezní křivka...15 Obr Schéma zapojení jednocesného usměrňovače...18 Obr. 1.. Schéma zapojení dvoucesného usměrňovače...19 Obr Schéma zapojení můskového usměrňovače...0 Obr Blokové schéma spínaného zdroje [3]...1 Obr...1 Schéma snižujícího měniče...3 Obr... Časové průběhy proudu a napěí na indukčnosi L Obr...3 Schéma inverujícího měniče...6 Obr...4 Průběhy napěí a proudů inverujícího měniče...7 Obr..3.1 Schéma blokujícího měniče...9 Obr..3. Průběhy veličin blokujícího měniče...30 Obr..3.3 Schéma propusného měniče [1]...34 Obr..3.4 Průběhy veličin na propusném měniči...34 Obr..3.5 Schéma zapojení dvojčinného můskového měniče...38 Obr..3.6 Časové průběhy veličin na dvojčinném můskovém měniči...40 Obr..3.1 Hlavní okno programu...41 Obr Okno návrhu blokujícího měniče...4 Obr Průběhy proudu blokujícího měniče...43 Obr Okno návrhu propusného měniče...45 Obr. 3.. Průběhy proudu propusného měniče...46 Obr Daabáze jader...47 Obr Okno návrhu jednocesného usměrňovače...47 Obr Okno návrhu dvoucesného usměrňovače...48 Obr Okno návrhu můskového usměrňovače...48 xi

12 SEZAM TABULEK Tab..1 Přehled výkonů a využií spínaných zdrojů [6]... xii

13 ÚVOD apájecí zdroj je součásí naprosé věšiny elekronických zařízení, kerému dodává energii ve formě nejčasěji sejnosměrného proudu. Podle konsrukce rozlišujeme zdroje lineární a modernější spínané. Lineární napájecí zdroje jsou hisoricky sarší, dnes jsou prakicky vylačeny spínanými zdroji. evýhodou lineárních zdrojů je pořeba velkého ransformáoru, velkého chladiče a velkých kondenzáorů, což se promíne v ceně i jejich velikosi. Jedinou výhodou lineárních zdrojů je jejich lepší dynamická odezva a z principu menší velikos rušivých napěí na výsupu. Lineární zdroje se ak dnes používají zejména k napájení laboraorních zařízení, kde jsou yo výhody rozhodující. Ve věšině elekronických zařízení se v současnosi používají spínané napájecí zdroje, keré se vyznačují menší velikosí a hmonosí, vyšší účinnosí a s ohledem na nízkou cenu elekronických součásek ve věšině případů i nižší cenou. Základní rozdělení spínaných zdrojů je na zdroje napájené sřídavým napěím, nejčasěji z rozvodné síě 30 V 50 Hz (AC-DC měniče) a zdroje napájené sejnosměrným napěím, např. z akumuláoru nebo nadřazeného měniče (DC-DC měniče). Spínané zdroje pracují na vysokých kmiočech řádu 10 khz až 1 MHz, proo nepořebují ak velké ransformáory a filrační kondenzáory jako zdroje pracující s kmiočem síě 50 Hz. Spínané zdroje mohou dosahova účinnosi přes 95 %. 13

14 1 SPOJITÉ APÁJECÍ ZDROJE Spojié zdroje se skládají z několika základních bloků: síťový ransformáor, usměrňovač a filr, regulační prvek. V éo kapiole je popsána jejich funkce a návrh. 1.1 Transformáor Transformáor je měnič, kerý je schopen přenáše elekrickou energii mezi primárním a sekundárním vinuím. Využívá se nejen pro přeměnu sřídavého napěí na sejnosměrné, ale aké pro galvanické oddělení zdroje od napájecího obvodu. Pro spojié napájecí zdroje se používá síťový ransformáor, kerý je napájen síťovým napěím 30 V / 50 Hz (400 V / 50 Hz). evýhodou spojiých zdrojů je jejich velikos, hmonos zařízení, velikosi ransformáoru a malá účinnos. Výhodou je jednoduchá konsrukce Princip činnosi ransformáoru Sřídavý proud v primárním vinuí vyváří v magneickém obvodu magneický indukční ok. Při časové změně magneického indukčního oku dochází k indukování napěí v sekundárním vinuí. V primárním a sekundárním vinuí je napěí, keré můžeme urči podle zákona elekromagneické indukce: při časové změně magneického oku se indukuje v jednom záviu napěí. Velikos ohoo napěí je úměrná poču záviů vinuí. íže jsou uvedeny vzorce pro ideální ransformáor, zanedbávající zráy a rozpylové oky [1]. d( ) u1( ) 1, ( 1.1) d u d( ) ). ( 1.) d ( Pomocí vzahů (1.1) a (1.) lze ransformační poměr vypočía podle vzahu: u ( ) 1( ) u. ( 1.3) Zráy v ransformáoru Jouleovy (epelné) zráy ve vinuí Vodiče ve vinuí ransformáoru mají nenulovou hodnou odporu, kerý způsobuje úbyek napěí. Tyo zráy se projeví zahříváním vodičů. Při jeho návrhu se na ně musí brá ohled, aby byl ransformáor dosaečně chlazen. Výkon přenášený ransformáorem je omezený proudovou husoou maeriálu vedení. Průřez vodičů musíme navrhnou 14

15 úměrný proudu, aby byla dodržena proudová husoa. Při překroční kriické hranice dochází k přehřívání vinuí a muže dojí k porušení izolace. Pokud chceme zvýši přenášený výkon, je nuno zvýši průřez vodiče a o je podmíněno zvěšením plochy okna jádra ransformáoru. Jouleovy zráy jsou úměrné kvadráu efekivní hodnoy procházejícího proudu. Lze je vypočía sečením výkonu v sekundárním a primárním vinuí [1]: P R R I R I. ( 1.4) P ef 1 S ef Hyserezní zráy v jádře Hyserezní zráy vznikají při přemagneování jádra ransformáoru. Hyserezní křivka (viz Obr ) znázorňuje magneizaci a demagneizaci jádra. Plocha éo uzavřené křivky určuje, kolik energie je pořeba k přemagneování jádra. Tao energie je úměrná ploše křivky. Z definice můžeme urči jednoku J/m 3 [1]. Zráy jsou závislé na maeriálu jádra a úměrné kmioču. Vypočeme je pomocí vzahu: P h fv HdB. ( 1.5) Obr Hyserezní křivka Zráy vířivými proudy Zráy vířivými proudy vznikají při indukování napěí v jádře ransformáoru. Vířivé proudy jsou úměrné kvadráu kmioču a nepřímo úměrné odporu maeriálu jádra. Pokud chceme omezi vířivé proudy, musíme použí jádro s malou vodivosí, například sesavené ze vzájemně izolovaných plechů nebo jádra železoprachová s velkým měrným odporem. 15

16 Velikos ěcho zrá můžeme vypočía ze vzorce: P V fb M max S 1 R j. ( 1.6) Hlavní součási ransformáoru Jádro (magneický obvod) Jádra síťových zdrojů jsou vořena izolovanými ocelovými plechy různé loušťky. U jader ransformáorů pro spínané zdroje se používají např. feriové nebo železoprachové maeriály. Jádra mohou bý různé velikosi a různého varu nejznámější jsou: EI, C, Q, oroidní jádro ad. Vinuí ěkeří výrobci ěcho maeriálů: Iskra, Siemens, Philips, Sagem, Prame ad. Je vořeno izolovaným vodičem různého průměru, varu a maeriálu. Teno vodič je navinu na jádro ransformáoru. ejčasějším maeriálem pro výrobu vinuí je měď. Pokud použijeme nucené chlazení vinuí, můžeme počía z věší proudovou husoou. Volba proudové husoy je mimo jiné závislá aké na varu a ypu ransformáoru. Pokud máme více vinuí, musíme ve vinuí, keré je blíže k jádru, zohledni proudovou husou z důvodu odvodu epla. Při návrhu se volí nejčasěji proudová husoa ve vodiči,5 A/mm ávrh síťového ransformáoru V příloze jsou uvedeny paramery vodičů pro návrh síťového ransformáoru. Transformáor můžeme navrhnou podle následujícího posupu: Výsupní výkon: P U I. ( 1.7) Dále vypočeme vsupní výkon: Pvs P výs.100 /. ( 1.8) Průřez sředního sloupku vypočeme podle: S P B. ( 1.9) 4 ef 10 vs / m kde B m je magneická indukce udávaná výrobcem. Pokud bude sřední sloupek jádra ve varu čverce, je délka srany: a S ef. ( 1.10) 16

17 Dále určíme koeficien j, vyjadřující poče záviů na 1 V: j 1/ 4, 44 fbmsef. ( 1.11) Z koeficienu j vypočeme poče záviů v primárním a sekundárním vinuí. Pro kryí zrá ubereme 3% v primárního vinuí a přidáme 3% v sekundárním vinuí. Poom můžeme napsa:. 1.0,97, ( 1.1) 1 j U..1,03. ( 1.13) j U Dále vypočeme indukčnos primárního vinuí: L. ( 1.14) 1 1 Pokud magneická vodivos není uvedena, je možno ji vypočía: S r0. ( 1.15) l Hodnoa efekivního proudu v primárním vinuí je určena přepočeným proudem sekundárního vinuí a magneovacím proudem: I I I 1 1, ( 1.16) U1 ef I ef. ( 1.17) L 1 Vypočeme průměr vodičů primárního a sekundárního vinuí: d 4I J 1 1, ( 1.18) d 4I J. ( 1.19) 17

18 Pak plochy průřezu obou vinuí vypočeme podle: S d, ( 1.0) L1 1 S d. ( 1.1) L Je řeba ověři, zda se vinuí vejde do okénka jádra, včeně uvažované rezervy na proklady, případně je řeba zvoli jiné jádro. 1. Usměrňovače Vhodným uspořádáním diod v obvodu je možno měni sřídavé napěí na napěí sejnosměrné. Usměrněné napěí má pulzující charaker. Pro snížení sřídavé složky výsupního napěí se usměrňovače doplňují filrem ypu dolní propusi (C, LC). Usměrňovače leze děli: Podle poču fází: jednofázové řífázové Podle průběhu usměrněného napěí: jednopulsní dvoupulsní rojpulsní šesipulsní Podle způsobu řízení: neřízené polořízené plně řízené 1..1 ávrh jednocesného usměrňovače Schéma zapojení je uvedeno na obrázku (viz Obr. 1..1) níže. Usměrňovač obsahuje pouze jednu usměrňovací diodu zapojenou do série se zdrojem. Tr D I_ U_nap ~30V U_1 C R U_ Obr Schéma zapojení jednocesného usměrňovače 18

19 Dimenzování diody Maximální hodnoa proudu diodou je dána výsupním proudem: I D max I max. ( 1.) a diodě v závěrném směru se objeví dvojnásobné maximální vsupní napěí: U BR U 1max. ( 1.3) Při návrhu je řeba zohledni úbyek napěí U D na diodě: U U1max U max D. ( 1.4) Filr je vořen vyhlazovací kapaciou, kerá je schopna čásečně vyhladi pulzující napěí za usměrňovačem. Vyhlazovací kapaciu lze přibližně urči vzahem [3] : 600I pu C. ( 1.5) Činiel zvlnění: U ZV p zv 100. ( 1.6) U 1.. ávrh dvoucesného usměrňovače Dvoucesný usměrňovač je vořen dvěma diodami a ransformáorem s vyvedeným sředem (viz Obr. 1..). Diody jsou namáhány polovičním proudem I. Tr D1 I_ U_nap ~30V u_1 u_1' C R U_ D Obr. 1.. Schéma zapojení dvoucesného usměrňovače 19

20 Dimenzování diod Proud záěže se rozdělí rovnoměrně mezi diody D 1 a D : I I D max. ( 1.7) Hodnoa závěrného napěí a úbyku na diodách je shodná s jednocesným usměrňovačem. Filrační kondenzáor má poloviční hodnou oproi předchozímu jednocesnému usměrňovači ávrh můskového usměrňovače Můskový usměrňovač (Graezovo zapojení) nepořebuje ransformáor s vyvedeným sředem. Je vořen čyřmi diodami zapojenými do můsku (viz Obr. 1..3). Má shodné průběhy napěí jako dvoucesný usměrňovač. ávrh je oožný s dvoucesným zapojením. Liší se pouze úbykem napěí na diodách, proože obvod je vždy uzavřen přes dvě diody v sérii: U U. ( 1.8) 1 U D I_ U_nap ~30V Tr u_1 D1 D3 C R U_ D D4 Obr Schéma zapojení můskového usměrňovače 0

21 SPÍAÉ APÁJECÍ ZDROJE Pro napájení současných moderních zařízení s vyšší spořebou proudu, jsou nejvhodnější zmíněné spínané zdroje. Blokové schéma (viz Obr. 1..1) zobrazuje srukuru spínaných zdrojů. Tyo zdroje mají věší účinnos oproi lineárním zdrojům. Pro jejich správnou funkci je řeba použí cívky a kvaliní kondenzáory s nízkými paraziními paramery. Spínače pracují na frekvenci vyšších než 0 khz. V dnešní době se yo spínací frekvence pohybují v řádu jednoek MHz. Vysoká frekvence klade nároky na jednolivé prvky spínacího zdroje (spínač, indukčnos, ransformáor, dioda, usměrňovač ). Obr Blokové schéma spínaného zdroje [3] Spínané zdroje se nejčasěji používají u zařízení, keré vyžadují vyšší účinnos. apř. u výpočení echniky. Pro nižší výkony do 100 W se používají jednočinné měniče, pro vyšší výkony je vhodné použí měniče v dvojčinném zapojení. Hlavní výhodou spínaných zdrojů je jejich velká účinnos a malé rozměry. evýhodou je vyšší cena (při vysokém kmioču spínání se mění paramery součásek což je nepřípusné, proo musíme vybíra kvaliní součásky). Další nevýhodou je konsrukční náročnos zapojení. S vývojem spínaných zdrojů dochází k posupnému úsupu spojiých zdrojů. 1

22 .1 Rozdělení spínaných zdrojů Měniče bez ransformáoru: snižující (sep-down) zvyšující (sep-up) inverující (buck-boos) Měniče s ransformáorem: propusný měnič (forward converer) blokující měnič (flyback converer) Dvojčinné měniče s ransformáorem: polomos plný mos měnič push-pull Typ zapojení Rozsah výkonů Využií DC/DC měniče Blokovací měniče Akumulující měniče Propusné měniče do 5 W do 0 W do 50 W do 100 W vyváří hodnou napěí odlišnou od napěí vsupního pomocná napájení Vyváří sřídavé napěí z napěí sejnosměrného Jednoduché spínané zdroje. Jsou napájené síťovým napěím. Jednoduché spínané zdroje. Jsou napájené síťovým napěím. Polomos do 00 W Používají se u výpočení echniky Plný mos velké výkony Řízení moorů Tab..1 Přehled výkonů a využií spínaných zdrojů [6]. Měniče bez ransformáoru Tyo měniče jsou schopny měni vsupní sejnosměrné napěí U 1 na jiné sejnosměrné napěí U. Měnič bez ransformáoru neumožňuje galvanické oddělení vsupu od výsupu. V základním zapojení se skládá ze spínače (např. ranzisoru), indukčnosi, kondenzáoru a diody.

23 ..1 Snižující měnič (sep-down) Teno měnič má dva pracovní inervaly a a b (viz Obr...1). Po dobu inervalu a, kdy je ranzisor oevřený, proud proéká od zdroje k záěži přes R 1 a L 1 (viz Obr...). Inerval b udává dobu po kerou je ranzisor zavřený a proud do záěže se uzavírá přes diodu D 1. Výsupní napěí snižujícího měniče má sejnou polariu jako napěí vsupní.teno měnič má velkou účinnos a je konsrukčně jednoduchý. Využívá pouze jednu lumivku. T i_l L U_1 D C R U_ Obr...1 Schéma snižujícího měniče u L U 1 0 i L I Lmax I Lmin 0 a b Obr... Časové průběhy proudu a napěí na indukčnosi L 1 Inerval a Pokud je ransisor oevřen, je na indukčnosi napěí U La : U La U 1 U. (.1) 3

24 Po dobu inervalu a cívkou proéká proud, díky kerému dochází k nahromadění energie v cívce. Proudový nárůs i La lze vypočía podle vzorce [3]: U1 U La a i. (.) L Inerval b V omo inervalu je spínač ranzisor T rozepnu. Energie naindukovaná v cívce nemůže zaniknou skokem. Tlumivka má snahu udrže procházející proud, kerý se uzavírá přes rekuperační diodu D 1. Pokles proudu v inervalu b : U Lb U, (.3) U Lb ilb b. (.4) L Z průběhu proudu na indukčnosi (viz Obr...) je parné, že proud na konci inervalu a je roven proudu na začáku inervalu b. Možno edy psá: i. (.5) La i Lb Po dosazení: U1 U U a b L L. (.6) Činiel plnění leze vypočía: a. (.7) a b Z předchozí rovnice si vyjádříme výsupní napěí: U U 1. (.8) Dimenzování polovodičů Z předchozích úvah lze odvodi paramery polovodičů. 4

25 Maximální proud ranzisoru: I C max I. (.9) Sřední proud ranzisoru: I Csř I. (.10) Maximální proud diodou určíme ze vzahu: I D max I. (.11) Sřední proud diodou: I Dsř I (1 ). (.1) Efekivní proud diodou: I Def I 1. (.13) ávrh filračního kondenzáoru Hodnou filračního kondenzáoru lze přibližně urči [1]: U1(1 ) C. (.14) 8Lf U Zvlnění napěí lze vypočía podle vzorce[1]: I U T. (.15) 8C Konrola rezonančního kmioču obvodu LC. Musí splňova podmínku: 1. (.16) 4 f L C 5

26 .. Inverující měnič (buck-boos) V omo zapojení je indukčnos L připojena paralelně k záěži a spínač S je zapojen do série. V inverujícím měniči dochází ke změně polariy výsupního napěí oproi vsupnímu napěí. a následujícím obrázku (viz Obr...3) je uvedeno schéma zapojení inverujícího měniče. i_1 T D i_ - U_1 u_be L u_x i_l C R U_ + Obr...3 Schéma inverujícího měniče Inerval a Při sepnuém ranzisoru T je na cívku přivedeno vsupní napěí U 1. a cívce lineárně narůsá proud díky konsannímu napěí (viz Obr...4). Dioda D je edy zavřená. Proud v cívce můžeme vyjádři vzahem[3]: i L T a 0 u Ld I. (.17) 0 Proudový nárůs na konci inervalu a lze urči pomocí vzahu: U1 ila a. (.18) L Maximální proud je pak vyjádřen vzahem: I L I i max 0 La. (.19) 6

27 u BE u x a T b U 1 U i 1 i La I 1 i I i L i La I 0 Obr...4 Průběhy napěí a proudů inverujícího měniče Inerval b Uzavřením ranzisoru T, dojde ke změně proudu cívkou, kerý se uzavírá přes záěž a diodu D. Pokud je dioda oevřena objeví se na výsupu záporné napěí a proud začne lineárně klesa [1]. Velikos změny proudu v inervalu b vypočía: U ilb b. (.0) L Změna proudu v inervalu a a b je sejná: i. (.1) Lb i La Po dosazení vzorců (.18) a (.0) do vzorce (.1): U U 1 b a L. (.) L 7

28 Úpravou dosaneme vzorec pro výpoče výsupního napěí: a U U 1. (.3) b Dimenzování polovodičů[1] Maximální proud proékající ranzisorem je roven proudu na vsupu měniče: I C max I 1. (.4) Pak sřední proud ranzisoru je: I Csř I 1, (.5) a efekivní proud ranzisorem: I Cef. (.6) I 1 Hodnoa maximálního proudu proékající diodou: I D max I 1. (.7) Sřední hodnoa proudu: I Dsř I (1 ). (.8) 1 Efekivní hodnoa proudu: I Def I 1 1. (.9).3 Měniče s ransformáorem Transformáor plní funkci galvanického oddělení a je možné dosáhnou vyšších ransformačních převodů U/U a I/I..3.1 Blokující měnič Obdobou inverujícího měniče je měnič blokující (viz Obr..3.1). Blokující měnič je vořen impulsním ransformáorem, ranzisorem diodou a kondenzáorem. Transformáor přenáší na výsup napěí obou polari (na rozdíl od inverujícího měniče, kerý přenáší ze vsupu na výsup napěí opačné polariy) a zároveň plní funkci galvanického oddělení výsupu od vsupu. V podsaě se nejedná o rafo ale o cívku. Vždy pracuje pouze jedno vinuí. 8

29 Účinnos blokujícího měniče se pohybuje okolo 80%, do výkonů 50W. 1 D U_BR U_1 U_T I_1 U_p U_s I C R U_ U_DS T Obr..3.1 Schéma blokujícího měniče Tranzisor je u blokujícího měniče umísěn v primární věvi. Pokud je ranzisor oevřen, prochází proud primárním vinuím. Dochází k akumulování energie do L 1 po dobu a. Druhá fáze blokujícího měniče je při rozepnuém spínači, kdy se nahromaděná energie po dobu inervalu b přenáší přes sekundární vinuí L na výsup měniče. Časové průběhy napěí a proudů jsou znázorněny na obrázku (viz Obr..3.). 9

30 i 1 I 1max i I max I 0 a b u p S U 1 S U 1 u s U 1 b a U 1 b a U výs T Obr..3. Průběhy veličin blokujícího měniče Srmos proudu v primárním a sekundárním vinuí[1]: U 1min L P I 1max max T, (.30) U L S I 1 max ( max ) T. (.31) 30

31 Indukčnosi cívek jsou[1]: L A, (.3) P L P L A. (.33) S L S Energie akumulovaná během jednoho kmiu v primárním vinuí je rovna energii v sekundárním vinuí: Úpravou dosaneme: 0,5L I 0, L I W. (.34) P 1max 5 S max LPI1 max LS I max W. (.35) Dosazením ze vzahu (.30) a (.31) lze získa: U 1 min maxti1 max U 1 max ) ( TI. (.36) max Výkon na vsupu je : I max P U ( 1 max). (.37) Po úpravě: P I max. (.38) U (1 ) max Dosazením do (.36) lze dosa: P U 1 min maxti1 max U (1 max) T. (.39) U (1 ) Magneické napěí v obvodu: H max PI 1 max max L e. (.40) 31

32 Dosazením (.3) dosaneme: L H L max e P AL I. (.41) 1max Do předchozího vzorce dosadíme I 1max ze vzorce (.38) a dosaneme: L P AL max U1 minh P max L e. (.4) Po srovnání s (.30) vyjde: H AL I max 1max L e U1 min maxt I1max. (.43) Po úpravě a dosazení z (.38)dosaneme: T H maxle AL. (.44) P Vyjádříme minimální kmioče měniče: P fmin. (.45) A H L maxl e Maximální proud sekundárním vinuím: I 1max P. (.46) U max 1min Poče záviů v primárním vinuí: H L max e P. (.47) I1max Poče záviů v sekundárním vinuí: H L max e I. (.48) S max 3

33 Minimální pořebné závěrné napěí ransilu: P UT U. (.49) S Minimální pořebné napěí diody : U BR S U 1 max U. (.50) P Minimální závěrné napěí ranzisoru: U U1. (.51) DS max U T Pro požadované zvlnění odvodíme pořebnou kapaciu: P C. (.5) U fu ZV.3. Propusný měnič Propusný měnič na Obr..3.3 je obdobou snižujícího měniče. Impulsní ransformáor plní funkci galvanického oddělení. Propusné měniče pracují nejčasěji na konsanním kmioču. Výsupní napěí může dosahova obou polari. Problém nasává v ransformáoru, kde zůsává nahromaděná energie. Proo je nuné zajisi demagneizaci jádra ransformáoru, aby nedošlo k přesycení jádra v dalším inervalu a. Pro úplnou demagneizaci musí plai podmínka demag. < b [1]. Propusné měniče se používají do výkonu cca 100 W. Funkce propusného měniče Předpokládáme, že lumivka bude mí dosaečně velkou indukčnos, aby byl výsupní proud I konsanní. Současně ak bude I roven sřední hodnoě proudu i s. Touo podmínkou zařídíme, že proud I bude mí obdélníkový průběh [1]. Pokud je ranzisor T sepnu, impulsní ransformáor předává energii přímo do záěže po dobu inervalu a. Zároveň dochází k hromadění energie v jádru. Tuo nahromaděnou energii musíme z jádra odebra po dobu b, jinak dojde v dalších periodách k přesycení jádra ransformáoru. Energii z jádra můžeme dosa např. demagneizačním vinuím, keré je připojeno paralelně ke zdroji přes diodu D 1. Demagneizační vinuí 3 má sejný poče záviu jako primární vinuí, jenže s opačnou orienací navinuí. Demagneizova jádro můžeme aké napěťovou referenční diodou. Při demagneování se energie v éo diodě mění na eplo. 33

34 i_3 D1 i_1 i_s D L I_ U_1 u_dem 3 u_p T 1 u_ds u_s D3 u_x C R U_ Obr..3.3 Schéma propusného měniče [1] a b u BE i 1 I 1 i s I 0 I u max u DS U 1 u p U 1 U 1 1 u s Obr..3.4 Průběhy veličin na propusném měniči 34

35 Kmioče i max se volí dle maeriálu jádra ransformáoru a dalších paramerů řádově 10 khz-1 MHz. Ze zadané frekvence spínání lze vypočía periodu T a dobu 1 : T 1. (.53) f T 1 max. (.54) Poče záviu v primárním vinuí můžeme vypočía ze vzorce [1]: 1 U1 max. (.55) B S max Poče záviu v sekundárním vinuí [1] U. (.56) 1 max U1 Poče záviů pomocného demagneizační vinuí se volí shodný s primárním, proože se oo vinuí navíjí společně (.57) Maximální proud primárním je roven souču magneizačního proudu a proudu ransformovaného ze záěže [1]: I 1max I max I. (.58) 1 Magneizační proud můžeme vyjádři vzahem[1]: I U 1 max max. (.59) L1 Indukčnos L 1 vinuí lze vypočís podle vzahu (.30). Aby nedošlo k přesycení jádra, je nuno sanovi maximální činiel plnění: max. (.60) 1 1 demag 35

36 Doba demagneizace je dána vzahem [1]: demag (.61) 1 Z předcházejících dvou vzahů plyne, že maximální činiel plnění je 0,5. Maximální výsupní napěí je sřední hodnoa U : U. (.6) max U s max Dimenzování ranzisoru T Z funkce měniče leze odvodi kriické paramery ranzisoru. Pokud je splněna podmínka 1 = 3 poom maximální napěí na ranzisoru je: U DS max U 1. (.63) a kolekorový proud: I C max I 1max. (.64) Dimenzování diod [1] Z poznaků lze odvodi proud a závěrné napěí na diodách propusného měniče: Dioda D 3 Maximální proud na diodě D 3 je roven výsupnímu napěí: I D. (.65) 3max I Sřední proud: I D 3sř I 1. (.66) Efekivní proud diodou D 3 : I D 3ef I 1. (.67) Závěrné napěí diody lze vypočía podle: U D. (.68) 3max U1 1 36

37 Dioda D 1 Maximální proud diodo můžeme urči: U. (.69) I D 1max I 3 I max max 3 3 L1 Sřední proud: I D1sř I 3sř I 3. (.70) Efekivní proud: I D ef demag 1 I I ef I 3 3 d T 3 0 demag 3 a demag 1. (.71) b A závěrné napěí je vyjádřeno vzahem: 1 3 U D 1max U1. (.7) 1 Dioda D Maximální proud diody D je roven výsupnímu proudu: I D. (.73) max I Sřední hodnoa proudu: I Dsř I. (.74) Efekivní hodnoa procházejícího proudu: I Def I. (.75) Maximální závěrné napěí diody D : U D. (.76) U max

38 .3.3 Dvojčinný můskový propusný měnič Teno měnič je schopen přenáše poměrně velké výkony. U měničů s demagneizačním vinuím se objevují velké napěťové špičky. Dvojčinný propusný měnič oo demagneizační vinuí nemá, neuplaňuje se edy rozpylová indukčnos a napěťové špičky nevznikají [1]. Výsupní usměrňovač je vořen můskovým usměrňovačem. Měnič zapojený naprázdno Pokud není měnič zaížen je výsupní proud nulový a na vinuí je nulové napěí. Dobu 1 (viz Obr..3.6) určuje sepnuí ranzisorů T, T 3 (viz Obr..3.5). Magneizační proud a indukční ok lineárně rose po dobu 1. Maximální hodnoy edy dosáhne na konci časového inervalu 1. Při demagneizaci začnou propoušě diody D 1 a D díky proudové servačnosi indukčnosi L 1. a L 1 bude napěí U 1. Teno děj rvá polovinu periody. V druhé polovině periody nasává idenický děj jenže s opačnou polariou [1]. Demagneizační proud klesá se sejnou srmosí jako při jeho růsu. Můžeme edy psá: demag 1. (.77) i_vs i_ TR L U_1 i_c T1 i_d D1 D i_1 T u_ u_1 1 T3 D3 T4 D4 Da Dd Dc Db u_x I_výs C R U_výs Obr..3.5 Schéma zapojení dvojčinného můskového měniče Měnič při záěži V inervalu kdy není sepnu ani jeden ranzisor ransformáor nepřenáší proud. V omo případě se lumivka L snaží udrže procházející proud a sává se zdrojem výsupního proudu. Greazův můsek plní funkci nulové diody. Dvojčinný měnič dosahuje účinnosi vyšších než 80 %. Díky jejich velké účinnosi a možném využií výkonu vyšších než 300 W se yo ypy zdrojů využívají u výpočení echniky. V primárním vynuí není sejnosměrná složka proudu. evýhodou je několikanásobné zvýšení poču pořebných ranzisorů a ím i náročnější zapojení obvodu. 38

39 ejvyšší napěí na výsupu vypočeme podle vzorce[1]: U výs max U1. (.78) 1 Dále musí plai[1]: max 1 I max 1BmaxS L1. (.79) Pro výpoče záviu využijeme vzah odvozený v [1]: 1 U1T. (.80) 4B S max U dvojčinného měniče lze možno přenáše ransformáorem věší výkon, proože je pořeba pouze poloviční poče záviů ve vinuí. Vinuí bude mí poloviční velikos, udíž průřez vodiče můžeme zvěši. S rosoucím průřezem vodiče můžeme zvyšova proudovou husou. evýhodou je zvýšení hyserezích zrá. Dvojčinný měnič pořebuje složiější řídící a silové obvody. Dále musíme brá v úvahu dobu, kerá je mezi přepínáním věví, aby nedošlo k sepnuí obou věví najednou. Teno inerval se nazývá dead ime. Dvojčinný měnič lze vyvoři spojením dvou jednočinných měničů zapojených proiakně.[1] 39

40 u BE T T 3 T 1 T 4 T T 3 T 1 T 4 u 1 T 1 U 1 1 I vs = 0 i μ, Φ μ i, max max u Φ μ max ½ max i 1 I výs -½ I μmax I výs >>I μmax 1 / i I výs ½ I μmax( / 1) i vs u x U 1 U vys I vs = 0 u x I vys >>I μmax 1 / ½T 1 U vys Obr..3.6 Časové průběhy veličin na dvojčinném můskovém měniči 40

41 3 POPIS PROGRAMU Získané poznaky o spínaných zdrojích byly využiy při vorbě programu. Hlavní čásí programu je dialogovém okno s názvem Menu (viz Obr..3.1), ve kerém jsou ři záložky. První záložka slouží k ukončení programu. Druhá zahrnuje výpoče jednocesného dvoucesného a můskového usměrňovače s filračním kondenzáorem. V záložce Spínané napájecí zdroje je možno vybra blokující měnič s ransformáorem nebo propusný měnič s ransformáorem. U blokujícího a propusného měniče můžeme paramery jádra zadáva přímo do dialogového okna, nebo můžeme využí oevřenou daabázi jader ransformáorů. Obr..3.1 Hlavní okno programu 3.1 Blokující měnič a obrázku (viz Obr ) je dialogové okno propusného měniče. Vzahy, keré jsou využiy pro výpoče blokujícího měniče jsou uvedeny v kap Kliknuím na záložku menu se dosaneme do hlavního dialogového okna. V záložce ásroje lze vola funkce: Paramery ransformáoru - Po kliknuí se objeví okno pro výběr jádra (viz. Obr ) ransformáoru Počíej - pokud jsou dobře zadány vsupní proměnné vykoná se vypoče. Vykresli průběh - Po kliknuí vykreslí průběhy(viz. Obr. 3.1.). 41

42 Obr Okno návrhu blokujícího měniče Vsupní paramery: U 1min U 1max U P U zv max L e H max A L minimální vsupní napěí maximální vsupní napěí výsupní napěí přenášený výkon zvlnění výsupního napěí maximální činiel plnění efekivní délka siločar maximální inenzia mag. pole konsana indukčnosi Výsupní paramery: p poče záviů primárního vinuí s poče záviů sekundárního vinuí U napěí ransilu 4

43 Ubr Uds C T fmin I1max Imax min. pořebné závěrné napěí diody min. pořebné kolekorové napěí ranzisoru filrační kondenzáor perioda spínání kmioče spínání maximální proud v primárním vinuí max. proud sekundárního vinuí Obr Průběhy proudu blokujícího měniče 3. Propusný měnič Program pro výpoče propusného měniče je obdobný jako pro výpoče blokujícího měniče. Kliknuím na možnos Blokující měnič v záložce Spínané napájecí zdroje oevřeme dialogové okno blokujícího měniče(viz. Obr. 3..1). Záložka násroje obsahuje jednolivé funkce. Opě je možné vybíra ze seznamu jader ransformáorů a vykreslova průběhy(viz Obr. 3..). Kliknuím na záložku menu se vráíme do úvodního dialogového okna Vzorce, keré byli použiy v programu pro výpoče propusného měniče jsou uvedeny v kapiole.3.. Vsupní paramery: U 1min U 1max U P U zv max L e minimální vsupní napěí maximální vsupní napěí výsupní napěí přenášený výkon zvlnění výsupního napěí maximální činiel plnění efekivní délka siločar 43

44 B max A L f min S maximální magneická indukce konsana indukčnosi kmioče spínání efekivní průřez jádra Výsupní paramery: p s poče záviů primárního vinuí poče záviů sekundárního vinuí U BR1, U BR, U BR3 min. pořebné závěrné napěí diody I D1max, I D1max, I D1max, max. proud proékající diodami U DS C T I 1max I max min. pořebné kolekorové napěí ranzisoru filrační kondenzáor perioda spínání maximální proud v primárním vinuí max. proud sekundárního vinuí 44

45 Obr Okno návrhu propusného měniče 45

46 Obr. 3.. Průběhy proudu propusného měniče 3.3 Daabáze jader Do daabáze můžeme přidáva další ypy jader a je možné yo záznamy aké měni popřípadě je maza. Výběr uskuečníme kliknuím na daný yp jádra a povrdíme lačíkem Vybra. Tím se daa přenesou přímo do zadávacího okna pro výpoče měniče. Údaje uvedené v daabázi: Typ jádra Efekivní délka siločar Konsana indukčnosi Max. inenzia magneického pole Efekivní průřez jádra Maximální indukce Případné poznámky 46

47 Obr Daabáze jader 3.4 Usměrňovače Vzorce použié pro návrh usměrňovačů jsou uvedeny v kapiole 1.. V hlavním okně programu v záložce usměrňovače leze vybra z možnosí: Jednocesný usměrňovač (viz Obr ) Dvoucesný usměrňovač (viz Obr. 3.4.) Můskový usměrňovač (viz Obr ) Obr Okno návrhu jednocesného usměrňovače 47

48 Obr Okno návrhu dvoucesného usměrňovače Obr Okno návrhu můskového usměrňovače 48

49 4 ZÁVĚR Spínané zdroje mají vyšší účinnos než lineární napájecí zdroje, proo se hojně využívají v různé elekronice. Má práce se zabývá vlasnosmi nejpoužívanějších zapojení spínaných zdrojů a způsobem návrhu jejich klíčových součásí spínače, ransformáoru, usměrňovače s filrem. Zadáním práce nebylo řešení regulačních čásí zdrojů. Získané poznaky o návrhu zdrojů byly implemenovány do programu, kerý byl vyvořen v prosředí Borland C++ Builder 6. Program slouží k podpoře návrhu blokujícího a propusného spínaného zdroje s ransformáorem. Program obsahuje oevřenou daabázi jader ransformáorů pro spínané zdroje, jejichž seznam se ukládá do souboru s příponou.ccd. U každého ypu zdroje je uvedeno schéma zapojení, lze zobrazi průběhy napěí a proudů primární a sekundární srany ěcho zdrojů. Doplňující funkcí je návrh usměrňovače a filru pro zdroje napájené z klasického síťového ransformáoru. Jsou zahrnuy variany s jednocesným, dvojcesným a můskovým usměrňovačem. 49

50 LITERATURA [1] OVOTÝ, V., VOREL, P., PATOČKA, M. apájení elekronických zařízení. Brno: FEI VUT v Brně, ISB [] Přednášky: apájeni elekronických zařízeni Ing. J. Šebesy, Ph.D.[online]. Brno: VUTBR 004 [ci ]. URL: <hps:// [3] HUSÁK, M. ávrh napájecích zdrojů pro elekroniku. Praha: Česká echnika nakladaelsví ČVUT, 006. ISB [4] KREJČIŘÍK, A. apájecí zdroje III. Praha: BE-echnická lieraura, ISB [5] FAKTOR, Z. Transformáory a lumivky pro spínané zdroje. Praha: BE-echnická lieraura, 00. ISB [6] KREJČIŘÍK, A. apájecí zdroje I. Praha: BE-echnická lieraura, ISB

51 SEZAM SYMBOLŮ, VELIČI A ZKRATEK R P,R S [] odpor primárního, sekundárního vinuí. I ef [A] efekivní proud U ef [V] efekivní napěí B [T] magneická indukce H [A/m] inenzia magneického pole Λ,A L [nh] magneická vodivos jádra S [mm ] efekivní průřez jádra U 1, U [V] vsupní, výsupní napěí 1, [-] poče záviů primárního, sekundárního vinuí μ r [H/m] reálná permeabilia μ 0 [H/m] permeabilia vakua l [mm] sřední délka siločar T [s] perioda L [H] indukčnos i μ [A] primární proud při vinuí naprázdno S čpo [%] konrola činiele plnění okna S 1, S 1 [mm ] průřez primárního, sekundárního vinuí S j [mm ] průřez okna jádra ransformáoru I 0 [A] usálený proud [-] činiel plnění I D [A] proud proékající diodou U D [V] závěrné napěí diody demag [s] doba demagneizace jádra I 3 [A] proud demagneizačním vedením I μ [A] demagneizační proud U DS [V] napěí na ransformáoru U [V] napěí ransilu L e [mm] efekivní délka siločáry H max [A/m] max inenzia magneického pole R p, R s [] odpor primárního, sekundárního vinuí 51

52 L e P h P R P V M,n R j a j S Fe d 1, d S L1, S L S ok P Fe p, p 1, I c U BR U dem u BE efekivní délka siločar hyserezní zráy jouleovy zráy zráy výřivými proudy poče plechů měrný odpor ransformáoru délka srany sředního sloupku jádře loušťka jádra průřez jádra průměr vodičů primárního a sekundárního vinuí plocha sekundárního a primárního vinuí průřez okna ransformáoru uráy v železe účinnos loušťka plechu doba inervalu kolekorový proud ranzisoru závěrné napěí diody napěí na demagneizačním vinuí řídící napěí ranzisoru magneická vodivos 5

53 SEZAM PŘÍLOH A Paramery vodičů pro návrh ransformáoru 54 53

54 A PARAMETRY VODIČŮ PRO ÁVRH TRASFORMÁTORU 54