Parametrický nebo zpětno vazební stabilizátor. Uvýst. DC b) filtr RC nebo LC. 220V AC Usměrňovač

Transkript

1 ELEKTONKÉ SYSTÉMY 0 Napájecí droje Naprostá většina elektronických systémů vyžaduje pro svou funkci ss napájecí napětí. Základní možnost - použití primárních nebo sekundárních elektrochemických článků je výhodné poue v omeeném sortimentu aplikací. Naprostá většina aplikací používá napájení e sítě. Soubor elektronických obvodů, které mění výstupní napětí, usměrní jej, filtruje, stabilisuje a ochrání před přetížením se naývá napájecí droj. Napájecí droje se navrhují podle požadavků adání. Pro malé výkony se používá klasické uspořádání - transformátor, usměrňovač (jednocestný nebo dvoucestný) 38, pasivní nebo L filtr a lineární regulátor napětí (stabiliátor). V méně exponovaných aříeních často postačí poue parametrický stabiliátor vytvořený Zenerovou nebo lavinovou diodou. Blokové schéma klasického napájecího droje je na obr.0-a. 0V A transformátor usměrňovač Parametrický nebo pětno vaební stabiliátor výst b) filtr nebo L a) 0V A směrňovač filtr střídač galv. oddělení a filtr řídící obvody výst Obr.: 0- Blokové schéma klasického napájecího droje, b) blokové schéma impulního napájecího droje Pro vyšší výkony, nebo ve speciálních případech s požadavkem na max. účinnost droje, se používá impulní napájecí droj podle blokového schématu na obr.0-b). Zde se síťové napětí be transformátoru usměrňuje a ss napětí se přivede na střídač, který je říený metodami PWM a pětnou vabou. Pulní napětí se pomocí pulního transformátoru (obvykle s ferritovým jádrem) transformuje na požadovanou úroveň, usměrňuje a filtruje na požadované vlnění. Frekvence střídače bývá v rosahu H. Vhledem k tomu jsou induktory a transformátory velmi malé objemově i hmotnostně, aříení vyařuje minimum tepla a může být proto konstrukčně velmi malé. Na druhé straně je však komplikovanější a atím i dražší 39. Proto musí při každé aplikaci konstruktér rohodnout o výhodnosti prvé či druhé varianty řešení. Následující stránky mají pro rohodování podat ákladní informace. 0. Klasické napájecí droje Problematika návrhu transformátoru, usměrňovače a filtru je popisována v každé elektronické učebnici po celou dobu existence elektroniky a proto se de omeíme poue na krátké shrnutí problématiky. Výstupní napětí na transformátoru usměrňujeme obvykle jedním e tří ákladních apojení na obr.0-. Jednocestný usměrňovač na obr.0-a) je nejjednodušší variantou. Na 38 Někdy se hovoří o jednopulním a dvoupulním usměrňovači 39 Nová generace integrovaných spínacích regulátorů je již levnější a rohodování je proto jednodušší 55

2 ELEKTONKÉ SYSTÉMY sekundární straně transformátoru je napětí u = M sinωt. i a) L L b) c) L Obr.: 0- Tři ákladní typy usměrňovačů Jestliže je kondenátor na výstupu neapojen, platí: r.: 0- i = sinα pro 0 [ [ M r.: 0- i = 0 pro [ [ kde = t M Max. proud M je dán: M = Kde je atěžovací reistor a itr je odpor itr transformátoru. Průměrný proud je dán: π π i dα α α M M d π π 0 0 r.: 0-3 =. = sin. = Výstupní napětí L je: r.: 0-4 L = M.. Z = π Zapojíme-li výstupní kondenátor, mění se tvar výstupního napětí L podle obr.0-3. π L be s Lmax Lmin t[s] M α úhel otevření diody Obr.: 0-3 Průběh napětí na výstupu jednocestného usměrňovače be výstupního kondenátoru a s kondenátorem Na átěži bude max. napětí max : r.: 0-5 L max = max 0, 7 =. ef 0, 7 Zvlnění výstupního napětí je: u = L max L min Minimální napětí Lmin je dáno úhlem otevření diody, t.j. velikostí a hodnotou. Pro malé atížení platí: r.: 0-6 Střední napětí L je: L min = L max [A, H, F] f. 56

3 ELEKTONKÉ SYSTÉMY r.: 0-7 L = L max u A konečně napěťové namáhání diody KAmax, které bude při apojeném a odpojené átěži. r.: 0-8 KA max m. M =.. ef voucestné apojení podle obr.0-b vyžaduje symetrické vinutí na sekundární straně transformátoru. Zvlnění je při srovnatelném kondenátoru podstatně menší, frekvence vlnění je dvojnásobná (00 H). Max. napětí na výstupu bude nižší o dvojnásobný úbytek na diodách v otevřeném stavu. Zvlnění výstupního napětí je dáno: r.: 0-9 Λ u = max min =, kde f = 00 H f. Napěťové namáhání diod je stejné jako u jednocestného apojení, tedy: r.: 0-0 KA max m.. ef Můstkové apojení na obr.0-c má hlediska usměrňování stejné vlastnosti, výhodou je nižší napěťové namáhání diod (jsou vždy dvě v sérii): r.: 0- KA max m. ef alší výhodou můstkového usměrňovače je potřeba poue jednoduchého vinutí transformátoru. Větší počet diod již většinou není na ávadu, neboť je k dispoici dostatečně pestrý výběr levných integrovaných versí diodových můstků. Protože běžné planární Si diody mají úbytek u AK propustném stavu cca 0,7 V, vniká na můstku složeném těchto diod neanedbatelný trátový výkon a můstek je třeba je přiměřeně chladit. Ztrátový výkon na diodovém můstku P AK je dán: PAK =. uak. iak PAK max Na příklad při proudu i AK = 0 A bude: P AK =.0,7.0 = 4 W!!! 0.. Zdvojovače a násobiče napětí Pomocí diod a kondenátorů le sestavit ss napěťové droje s napětím, které je násobkem vstupního střídavého napětí. Greinacherův dvojovač napětí na obr.0-4a), nebo elonův násobič napětí na obr.0-4b) jsou ákladními obvody. a) S 3 b) 4 3 S 4 S 4 S Obr.: 0-4 a) Zdvojovač, b) násobič napětí. Jestliže je horním konci sekundárního vinutí na obr.0-4a) kladné napětí, nabije se horní kondenátor na vrcholové napětí této půlperiody. V následující půlperiodě je kladná polarita na spodní straně vinutí a spodní kondenátor se nabije na vrcholové napětí áporné půlperiody. Výstupní napětí je na sériové kombinaci obou kondenátorů. Podobná je i funkce násobiče napětí na obr.0-4b). Jestliže je na spodní straně kladná polarita, nabíjí se přes a kondenátor na plné napětí S. V následující půlperiodě kladné napětí s na horním konci sekundárního další půlperiodě (kladné napětí na spodním vývodu transformátoru) se součtovým napětím S S nabíjí kondenátor 3 atd. Na 57

4 ELEKTONKÉ SYSTÉMY výstupu je napětí 4 S 40. To ovšem platí, pokud je odpojen atěžovací odpor. V opačném případě se tento proces nabíjení snižuje o plynulé vybíjení atěžovacím proudem. Je otákou, jak volit hodnotu kondenátorů tak, měl násobič nejlepší vlastnosti. Protože obvykle náme atěžovací odpor Z, volíme kondenátory tak, platila podmínka: r.: 0- f. Z. m 0, 5 [H, Ω, F ]. Z této podmínky určíme optimální kapacitu opt : r.: 0-3 opt 0.5 f., 0.. Využití násobičů pro / měniče be transformátoru Násobiče se používají ejména jako droj vysokého napětí. Jejich výnam je i v oblasti drojů níkého napětí be transformátoru. Pokud potřebujeme v apojení logického systému s napětím 5 V jednoduchý droj např. -5 V, 0 V, 5 V, můžeme použít násobič v apojení podle obr.0-5. cc 0,5 cc - - 3cc -3cc Obr.: 0-5 vě varianty měniče - be transformátoru a s použitím násobiče Horní varianta na obr.0-5 je vhodná, pokud máme k dispoici alespoň dva operační esilovače. Prvý esilovač pracuje jako AKO generující impuly se střídou :. ruhý esilovač je invertor. Násobič se připojuje podle obr.a polarita diod určuje polaritu výstupního napětí. Schéma na spodní části obráku je aložena na použití SKO (Schmittova klopného obvodu), např obvod..743 obsahuje čtyři dvouvstupová hradla s charakteristikou SKO. Výhodou apojení je možnost volby dostatečně vysoké vlastní frekvence obvodu, aby kondenátory mohly být miniaturní (platí vtah (0-3)). Prvé hradlo pracuje jako AKO a druhé jako invertor. Podle počtu a polarity diod dostáváme na výstupu n-násobek napájecího napětí s požadovanou polaritou převodníky be indukčnosti jako O. 4 Zdroje napětí be transformátoru podobné ukákám na obr.0-5 se vyrábějí jako specialiované integrované obvody. Nejčastěji se používají pro ískání áporného napětí pro symetrické napájení 40 Obecně platí : out = n. S, kde n je počet diod a kondenátorů 4 "nductorless / onverter" 58

5 ELEKTONKÉ SYSTÉMY jednoho nebo několika operačních esilovačů, nebo naopak pro ískání dvojnásobného napětí. Nejčastěji je napájení 5 V a výstup alternativně -5 V, 0 V a pod. Příkladem této kategorie obvodů jsou typy L 7660 (LT 046) Je to obvod, který poue se dvěma vnějšími kondenátory vytváří áporné napájecí napětí s odběrem do 60 ma. Aplikační apojení a atěžovací charakteristika je na obr.0-6. Protože je vstupní napětí poue v rosahu,5 až 6 V, velké úbytky napětí na diodách v otevřeném stavu by byly příčinou napěťových trát. Používá se proto tv. nábojové pumpy. Pod tímto návem se skrývá technika spínaného kondenátoru, která je rovněž ákladem pro výše popisované SF filtry. Na obr.0-7 je princip nábojové pumpy, ekvivalentní apojení a frekvenční charakteristika výsledného apojení. Jestliže je na vstupu, nabije se nábojem Q a naopak, při přepnutí spínače do druhé polohy se nabije na náboj Q,,. Během celé periody se přenese náboj: r.: 0-4 Q = Q Q = = ( ) =.T osadíme-li místo délky periody T = /f, bude proud: r.: 0-5 = = = kde f..( ) ekv f. ekv = f. Spínač S spínaný frekvencí oscilátoru spolu s kondenátorem představuje hlediska výstupu droj napětí v sérii s vnitřním odporem ekv. Připojíme-li na výstup atěžovací reistor L a paralelně apojíme filtrační kapacitu, je výstupní napětí dáno přenosem tohoto děliče. Podle obr.0-7, představuje ekvivalentní apojení dolnopropustný filtr prvního řádu, jehož časová konstanta je dána: L. ekv τ =.. Pokud náme odpor átěže a frekvenci oscilátoru, můžeme vypočítat kapacitu L ekv pro volené vlnění výstupního napětí. Obr.: 0-6 Princip činnosti nábojové pumpy v obvodu LT 046 a frekvenční charakteristika pro určení, požadujeme-li vlnění % 59

6 ELEKTONKÉ SYSTÉMY LT 046 N/ V 8 3 AP OS GN LV AP- Vcut 5 input 5V output -5V o [V] Ta = 5 o [ma] Obr.: 0-7 Základní aplikace betransformátorového - měniče LT 046 a jeho atěžovací charakteristika Blokové schéma obvodu LT 046 je na obr.0-8. Základem obvodu je relaxační oscilátor spolu s bistabilním klopným obvodem pro dělení frekvence dvěma. Na výstupu děliče je normální i negovaný impulní signál se střídou : pro říení spínačů SW a SW. Pokud jsou sepnuty spínače SW, nabíjí se na plné napětí droje s nanačenou polaritou. V následující půlperiodě se spojí spínače SW. Tím se kladný pol spojí se emí (GN) a náboj na se s opačnou polaritou dostává na výstupní stranu, kde je paralelní kombinace kapacity a atěžovacího reistoru L. Sklon atěžovací charakteristiky odpovídá ekv podle obr.0-6. Podle (0-5) má velikost: ekv = = = 6,7 Ω ( pro f f 3 6 osc = 30 kh a = 0 µf) osc OS (7) V (8) OS. / φ φ SW () - (4) SW Vout (5) LT i (,5V až 6V) o=(i - ) 0M 0M LV (6) Pro V > 3V sepnuto GN (3) Obr.: 0-8 Princip apojení obvodu LT 046 a ukáka jedné dalších aplikací (dvojovač napájecího napětí) Na podobném principu pracuje mnoho dalších O růných výrobců. 0. Stabiliace a regulace napětí směrňovač, dvojovač nebo / měnič le chápat jako droj napětí v sérii s vnitřním, obvykle neanedbatelným odporem. Většina elektronických systémů však vyžaduje stabiliované napájecí napětí, tedy ideální droj napětí s nulovým (nebo velmi malým) vnitřním odporem. Jako samořejmý požadavek je dále vyžadována elektronická ochrana proti kratu nebo nadproudu, který by mohl ohroit provo aříení. To vše aručuje stabiliátor nebo též regulátor napětí. Nejjednodušší řešení představuje parametrický stabiliátor, který používá Zenerovu nebo lavinovou diodu ve námém apojení podle obr.0-9. Parametrem, určujícím výstupní napětí, je Zenerovo napětí použité diody. Proud diody volíme obvykle vyšší než 0, Zmax, aby pracovala v lineární části charakteristiky. eistor se volí podle nerovnosti: 60

7 ELEKTONKÉ SYSTÉMY r.: 0-6 u ui 0 i i i max Lmin,. a současně tak, aby se maximalioval činitel stabiliace p. Ten je definován podle (0-7) a s reistorem souvisí podle tohoto vtahu: r.: 0-7 u = i p. u kde r je diferenciální odpor diody v "Zenerově" oblasti. i max i max r p. i Z L L KA [V] 5 T=80 k>0 i 0 T=0 r k=0 5 T=0 0 T=0 T=80 k<0 0.. T=80 KA [A] Obr.: 0-9 Parametrický stabiliátor se Zenerovou diodou a V - A charakteristika při růných Zenerových napětích a teplotách přechodu Parametrické stabiliátory se používají dnes jen okrajově, neboť je dostatečný výběr levných regulátorů napětí se aručenými parametry v integrované podobě. Proto jen připomeňme možnost využití Zenerových diod pro teplotní kompensaci v růných apojeních. Na obr.0-9 jsou tři typické V - A charakteristiky s růnými teplotními koeficienty. Zenerovy diody s napětím < 5 V pracují skutečně jako Zenerovy diody a mají áporný teplotní koeficient k. iody se Zenerovým napětím = 5 V mají ajímavý průběh teplotní ávislosti, který náorňuje střední charakteristika. Mají při malých proudech áporný teplotní koeficient a existuje proud, při kterém má k = 0. Při větších proudech má koeficient kladný. iody se Zenerovým napětím > 6 V již nepracují podle Zenerova jevu, ale naopak v lavinovém režimu, který je charakteriován kladným teplotním koeficientem k. Můžeme proto vhodným výběrem Zenerova napětí kompenovat kladnou nebo ápornou teplotní ávislost, eventuálně ji kombinovat se áporným teplotním koeficientem diody v propustném stavu. Na tomto principu pracují specialiované integrované napěťové reference, které aručují vysoce přesné a teplotně kompenované výstupní referenční napětí. Příkladem je obvod LM 336 v miniaturním poudru TO9, který připojením potenciometru může měnit výstupní napětí, nebo L 8069 s pevným výstupním napětím, V a teplotním koeficientem menším než 50 ppm. 0.3 egulátory ss napětí Proporcionální regulátor porovnává výstupní napětí s napětím referenčního droje. Odchylku esiluje a pomocí výkonového esilovače ovládá přívod energie tak, aby se odchylka minimaliovala. Poruchovou veličinou je měna proudového odběru nebo kolísání vstupního napájecího napětí. olišujeme regulátory spojité, kde říení přívodu energie vykonává lineární tranistorový esilovač ve třídě A, nebo AB v růném apojení. ruhou alternativou jsou regulátory nespojité, kdy přívod energie do systému je říen pulním esilovačem s PWM nebo jinou pulní modulací. Výhodou spojitého regulátoru je jednoduchost, minimální vlnění výstupního napětí a ejména tento regulátor nevyařuje vf rušení do jiných obvodů. Nevýhodou je především níká energetická účinnost, která omeuje použití při vyšších proudech. S tím souvisí i komplikovanější odvod trátového tepla, což objemově a hmotnostně komplikuje návrh. Výhody nespojitých regulátorů napětí se projevují při vyšších výkonech, kdy vysoká účinnost minimaliuje problémy s chlaením. Ve spolupráci měničem / se výnamně redukuje hmotnost 6

8 ELEKTONKÉ SYSTÉMY napájecího droje, neboť je klasický transformátor nahraen ferritovým transformátorem miniaturních roměrů. Nevýhody nespojitých regulátorů souvisí především s větší složitostí, cenou a po technické stránce s většími problémy s vf rušením a nutnou filtrací výstupního napětí. Vhledem ke stále se rošiřující nabídce specialiovaných O pro pulní droje mají uvedené nevýhody stále menší výnam Spojité regulátory ss napětí Základní apojení regulátoru ss napětí ukauje obr.0-0. Obr.: 0-0 Základní apojení spojitého regulátoru ss napětí Zapojení obsahuje výkonový OZ, referenční droj napětí a dva reistory. Operační esilovač je obvykle napájen nesymetrického droje (sekundární strana napájecího droje). Při poorné prohlídce jistíme, že se jedná o klasické apojení neinvertujícího esilovače na jehož vstupu je referenční napětí ref. Při áporné pětné vabě bude totéž napětí i na invertujícím vstupu. eferenční napětí je dáno: r.: ref = nebo naopak : = 0 ref. i o[v] - ref - OZ T T s o omin omax o[a] Obr.: 0- egulátor ss napětí s proudovým esilovačem a proudovým omeovačem eistory a tvoří t v. měřící člen. Pro správnou funkci je důležité, aby spojení reistoru se átěží bylo vytvořeno skutečně až v místě spotřeby, aby odpor vodivé cesty plošného spoje nebo odpor dlouhého vodiče k připojení L nemohl tvořit napěťový dělič, který by horšoval regulační vlastnosti. V roli referenčního droje je buď stabiliátor se Zenerovou diodou nebo vhodná, výše uvedená napěťová reference ( referenčního droje neteče ideálním OZ žádný proud). Odolnost regulátoru proti kratu je minimální. Zkratujeme-li výstup, bude na invertujícím vstupu nulové napětí. Operační esilovač bude v kladné saturaci. To namená, že horní tranistor dvojčinného koncového esilovače bude cela otevřen a veškerý výkon napájecího droje in se musí proměnit v teplo na 6

9 ELEKTONKÉ SYSTÉMY tomto tranistoru. S největší pravděpodobností dojde k překročení meních hodnot a tím ke ničení OZ. Proto se často používají níkovýkonové OZ a doplňují se proudovým esilovačem s proudovou pojistkou podle obr.0-.tranistor T pracuje jako proudový esilovač. Často se používá arlingtonova dvojice, eventuálně výkonový MOSFET. Výstupní proud protéká snímacím reistorem s. Zvýší-li se proud nad me : u BE(T) m 0, 7V = s. o, T se otevírá a tím se snižuje napětí ube(t). Napěťová pětná vaba sice vyšuje napětí na výstupu OZ, současně však je se toto napětí snižuje vlivem T. Výsledkem je obdélníková atěžovací charakteristika na obr.0-. Max. proud omax je určen : r.: max = Výkonové parametry tranistoru T a chlaení musí být navrženy tak, aby se mohl trvale odvádět trátový výkon: r.: 0-0 P Z max(t) m ( i 0, 7). o max Tento výkon odpovídá kratu na výstupu. Snímací reistor s je dimensován na výkon: r.: s P (s max) m s. 0max Z těchto ponámek si můžeme vytvořit představu o energetických poměrech v tomto sériovém regulátoru napětí. Zdroj navrhujeme tak, aby byl výkonově maximálně využitelný na výstupní straně. Současně však musíme počítat s tím, že celý tento výkon se musí měnit v teplo na výkonovém tranistoru v případě poruchy. Proto se někdy navrhují proudové pojistky jako bistabilní klopné obvody s hystereí (SKO), jejichž funkce vyplývá čárkované atěžovací charakteristiky na obr.0-. Překročí-li výstupní proud maximální proud, koncový tranistor se téměř uavře a při kratu jím protéká proud omin << omax. o stavu regulace napětí se dostane pět poue snížením odběru pod pásmo hysteree, tedy omin. Podle velikosti hysteree se odvouje trátový výkon a chlaení výkonového prvku ntegrované regulátory ss napětí Podobně jako každý často opakovaný elektronický obvod se i lineární spojitý regulátor napětí (s vnitřní strukturou vycháející e apojení na obr.0-) vyrábí jako integrovaný obvod. Pro aplikace, kde požadujeme přesně definované pevné napětí, se vyrábějí tv. třísvorkové regulátory podle obr.0-. Typickým představitelem této třídy obvodů je řada..7805, 7809, 78, 785, 784. Vyrábějí se pro pevná napětí, která jsou akódována v posledním dvojčíslí a proudy do A v poudru TO0, nebo pro proudové odběry do 0, A v miniaturním plastikovém poudru TO9. Tato řada je onačena písmenem L uprostřed (78L5 a pod). Pro áporná napětí existují podobné řady onačené 7905, 79...nebo 79L atd.). Všechny typy obsahují teplotně kompensovaný referenční droj, proudové ochrany a tepelné pojistky, které při překročení dovoleného oteplení odpojují koncový esilovač. Pokud požadujeme měnu výstupní žádané hodnoty napětí, použijeme čárkovaně kreslený doplňkový obvod na obr.0- a. Existuje další kategorie třísvorkových nastavitelných regulátorů, které pomocí vnějšího potenciometru mohou měnit žádanou hodnotu napětí ve velmi širokých meích. Např. typy LM37T,LM337T mohou regulovat napětí v rosahu, V až 37 V. Všechny tyto regulátory se obvykle apojují podle obr.0-ča). Podmínkou správné funkce je dodržení rodílu mei vstupem a výstupem alespoň,5 V, tedy:. ( ), V. i o 5 63

10 ELEKTONKÉ SYSTÉMY 78.. (LM37) i o i B E N L 487 SENSE GN OT ESET o o[v] 5V 4,5V t[ reset a) b) t[s Obr.: 0- Základní apojení jednoduchých třísvorkových stabiliátorů, b) specialiované integrované regulátory s automatickým resetem Na obr.0-b) je představitel novější generace "třísvorkových" regulátorů, které však mají pět svorek v poudru Pentawat. Obvod L 487 Thompson - SGF mimo stabilisaci napětí současně hlídá i výstupní napětí. Přesáhne-li nebo poklesne-li výstupní napětí na hodnotu 0,9 o, generuje se na výstupu "eset" krátký impul podle obr.0-b), který může být použit pro resetování mikropočítače při každé nanačené příhodě. alší poitivní vlastností tohoto regulátoru je radikálně snížený minimální rodíl mei vstupním a výstupním napětím : ( i o ) m 0, 6V. Někdy se v kataloích vyskytuje termín "druhá generace O regulatorů" a tento malý úbytek na regulátoru (drop-out voltage) při bateriovém napájení umožňuje efektivněji využít kapacitu baterie. Zmíněná tendence se dále rovíjí a např. firma Texas ns. přicháí s třetí generací třísvorkových regulátorů s MOS technologií pro bateriové aplikace, které mají napěťový úbytek ( i o ) m 0, V Jedná se o řadu TL75LP (48, 50, 80, 00, 0) na napětí (4,8 V, 5 V, 8 V, 0 V, V) s odběrem 300 ma, s proudovou a teplotní ochranou. Mimo tyto O regulátory le problém regulace řešit pomocí univerálního O regulátoru MAA 73, který se vyrábí již více než 0 let a i dnes má své přednosti. 64