Pasivní prvky pro výkonovou elektroniku Přednášky Výkonová elektronika Projekt ESF CZ.1.07/2.2.00/28.0050 Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů.
Pasivní součástky ve výkonové elektronice rezistory, kapacitory, induktory a transformátory nezbytně doplňují obvody VE, případná integrace ve složitějších polovodičových prvcích specifické vlastnosti vyšší nároky na tepelné vlastnosti - odolnost nízké hodnoty parazitních prvků v náhradních obvodech široký rozsah parametrů montáž od povrchové montáže pro několikatunové celky výuky technických předmětů 2
Rezistory pro výkonovou elektroniku Rezistor v obvodu výkonové elektroniky součástka/parazitní prvek v náhradním obvodu lineární prvek platí Ohmův zákon u = R i Aplikace rezistorů zmenšení jakosti rezonančních obvodů omezení U/I špiček převod elektrické energie na tepelnou (nebo jinou světelnou) spotřebiče topná tělesa omezení vybíjecích proudů u kondenzátorů měřící převodníky (proud/napětí - bočník měření proudu) dělič napětí, dělič proudu tavné pojistky Negativní důsledky použití rezistorů v měniči: snížení celkové účinnosti zdroj tepla (vliv na okolní prvky) výuky technických předmětů 3
parametry reálných rezistorů pasivní součástky pro výkonovou elektroniku sériově vyráběné/vyráběné na zakázku odpor nominální/reálný (tolerance), řada jmen. hodnot E6, E12, E24, E48, závislost odporu na teplotě α, β - R θ = R 0 1 + αθ + βθ 2 povolený ztrátový výkon trvalý jmenovitý P N, pulsní (pro rychlý periodický průběh vyhovuje střední výkon) krátkodobé nepřekročení max. teploty, určení tepelné kapacity rezistoru. maximální povolené napětí trvalé (podle max. středního výkonu) U max = pulzní omezené konstrukcí, bývá uváděno maximální teplota stanovena výrobcem R N P av ohled na okolí rezistorů spoje pájené měkkou pájkou, konstrukční materiály náhradní schéma vliv parazitních prvků (indukčnost vinutí, přívodů, kapacita) nízké hodnoty R vliv L R vysoké hodnoty R vliv C R LW indukčnost přívodů výuky technických předmětů 4
reálné rezistory pro výkonovou elektroniku drátové vinutí z odporového drátu na keramickém tělese, vysoká indukce L R, tzv. bezindukční provedení speciální vinutí - snížená indukčnost vysoká přetížitelnost, trvalé velké výkony (10 kw i více), teplota drátu vysoká malá závislost odporu na teplotě tavná pojistka hmotové aktivní zóna - směs materiálů (směs vodiče a izolantu, sintrováno,) polovodičové materiály (vysoká závislost na teplotě), nelinearita, nízká cena vysoká přetížitelnost - schopnost uložit vysoké hodnoty energie vrstvové tenká vrstva tloušťka srovnatelná se střední volnou dráhou elektronu (<5 µm)- na keramickém nosiči vrstva uhlík, NiCr, tlustá vrstva směs oxitů Pd, Ru aj, na keramickém nosiči, vypálit při 1200 C, 20µm a výše. špatná přetížitelnost, nižší ztrátový výkon, ostatní parametry dobré (nelinearita, parazitní indukčnosti, kapacity) hromadná výroba, nízká cena výuky technických předmětů 5
Kapacitory v obvodu výkonové elektroniky součástka/parazitní prvek volt/coulombová charakteristika, lineární Q = CU energie kondenzátoru w c = 1 2 CU2, dynam. def. i = C du s frekvencí klesá impedance a roste admitance Použití: filtry (omezování vyšších harmonických složek, nebo naopak eliminace stejnosměrné složky v signálu) součást rezonančního obvodu zdroj krátkodobého tvrdého napětí požadavky na kondenzátory ve výkonové elektronice odolnost proti teplotě, vysoké kapacitní proudy práce v širokém rozsahu frekvencí (vysoká vlastní rezonanční frekvence nízký sériový odpor ESR dt výuky technických předmětů 6
parametry reálných kapacitorů pro výkonovou elektroniku nominální/reálná kapacita (tolerance), závislost na teplotě (ppm/k) jmenovité napětí (AC, DC), při překročení průraz a obvykle i zničení kondenzátoru povolený rozsah teplot (Curiova teplota prudké snížení ε r ), ztrátový činitel tg δ: D = tg δ = 1 ωc R R i náhradní schéma paralelní RC tg δ komplexnější obvod ESL (ekvivalentní sériová indukčnost) a ESR (ekvivalentní sériový rezistor) omezení pro vyšší frekvence a vybíjecí proudy (výkonové ztráty) výuky technických předmětů 7
reálné kapacitory keramické pasivní součástky pro výkonovou elektroniku nižší hodnoty (do 1 µf), charakteristika podle typu keramiky (lineární/ nelineární), nízké ESL, vysoké napětí keramiky s vysokou permitivitou malý objem, vícevrstvé (MLCC) rozlišení (dle EN 60384) třída 1 vysoká stabilita, nízké ztráty (zaměření na jakost), příklad označení: NP0, P100,.. třída 2 vysoká objemová účinnost (zaměření na kapacitu), příklad označení: X7R, Z5U,. dielektrické materiály C 0 r S l třída 1: MgNb 2 O 6, ZnTa 2 O 6, spolu s dalšími materiály (ε r = 20 40) třída 2 : Feroelektrické materiály, př. BaTi03 (ε r = 200 14 000) výuky technických předmětů 8
svitkové (fóliové) kondenzátory metalizovaná fólie (do 100 µf) svinutá, případně kovová fólie a dielektrická fólie původně při malých průrazech samoobnovovací schopnost vysoké ESL, nutné doplnění keramickým kondenzátorem pro vyšší frekvence) výuky technických předmětů 9
reálné kapacitory elektrolytické obvykle možné polarizovat jen v jednom směru (jinak likvidace) na hliníkové fólii tenká vrstva oxidu hlinitého (naneseno elektrolyticky), druhá elektroda elektrolyt vysoké hodnoty C (do 1 F), nižší napětí (do 500 V), vysoké ESL, relativně (vzhledem k impedanci) vysoké ESR, teplotní omezení (do 80 nebo 105 C) vyšší teplota degradace (vysychání) slídové (mika) vysoké napětí, vysoké teploty, drahé, jako keramické, do 100 nf speciální uplatnění, užití tam, kde nestačí prosté keramické kondenzátory výuky technických předmětů 10
induktory a transformátory součástka/parazitní prvek cívka, tlumivka, reaktor dvojpól transformátor (přenos energie přes magnetický obvod) amper/weberová charakteristika Φ = LI, NΦ = LI energie v induktoru s proudem w L = 1 2 LI2 dynamická definice u = L di dt s frekvencí roste impedance/klesá admitance Z = ωl rezonanční obvody, filtry, tvrdý zdroj proudu s feromagnetickým jádrem nebo vzduchové vzduchové malé hodnoty L, lineární, velký prostorový rozsah mg. toku, indukce v okolních předmětech ovlivňují parametry induktoru (změna indukčnosti, nelinearita, tepelné ztráty) feromagnetické jádro je značně nelineární, doplňuje se vzduchová mezera zvýšení linearity, zvětšení energie v magnetickém toku B MAX omezuje proud, při překročení dochází k přesycení výuky technických předmětů 11
Základní parametry reálného induktoru Indukčnost (konstrukční záležitost, růst s objemem = cena) max. proud přesycení jádra B max výkonové ztráty na vinutí P = R S I 2 napětí souvislost s proudem (přesycení nebo výkonové přetížení) napěťový průraz (povrch) frekvenční rozsah f min s frekvencí klesá impedance (pokles jakosti, vliv R s ) f max - parazitní kapacita mezi závity LC obvod, frekvenční omezení materiálu jádra, skinefekt ve vinutí výkonové ztráty a teplota omezeno maximální povolenou teplotou izolace, vinutí se špatně chladí ztráty v mědi (ohmický odpor, skinefekt) ztráty v jádře (hysterezní, magnetizační) výuky technických předmětů 12
Induktor s magnetickým obvodem Intenzita magnetického pole H, [A/m] Magnetomotorické napětí U M, [A] U M = H l = I N délka střední siločáry l, proud vinutím I, počet závitů N Magnetická indukce (hustota magnetického toku) B (T) vztah mezi B, H:B = μ O μ r H, µ r relativní permitivita, μ 0 = 1,257 10 6 = 4π10 7 magnetický tok Φ (Wb) Φ = BdS = S vektory magnetické indukce B procházejí plochou S B S Magnetická reluktance R M (A/Wb) R m = U M Φ elektrický ekvivalent, užití obvodových rovnic pro výpočet Energie magnetického toku w = 1 2μ 0 μ r B 2 V výuky technických předmětů 13
Vlastnosti jádra, magneticky měkký materiál, hysterezní křivka Koercitivní intenzita magnetického pole H C Remanentní magnetická indukce B R Saturační magnetická indukce B S permeabilita počáteční permeabilita µ i 1 ΔB lim H 0 μ 0 ΔH = μ i efektivní permeabilita µ e L l i μ e = 1 μ 0 N 2 i S i zdánlivá permeabilita µ app (L 0 stejné vinutí bez jádra) amplitudová permabilita app L L 0 a B H M M výuky technických předmětů 14
Frekvenční vlastnosti materiálů jádra železná jádra indukce vířivých proudů skládání jader z plechů hysterezní ztráty (orientované plechy) Feritová jádra nízká vodivost, hysterezní ztráty použitelnost pro vysoké frekvence graf komplexní permeability µ s jádra pro vysoké frekvence omezená B max Z = jωμ s L 0S, μ s = μ s jμ s výuky technických předmětů 15
Charakteristika tvaru magnetického obvodu indukčnost S e - efektivní průřez jádra l e - efektivní délka střední siločáry V e = S e *l e v A L - indukční faktor uvádí se u výrobců jader materiály jader S L e 2 e 2 0 N AL N le výuky technických předmětů 16
základní konstrukce induktoru sériové induktory (jen malé, do jednotek ampér) zákaznické induktory velký výkon vyráběné na zakázku (vysoký podíl ruční práce) jádro křemíková ocel, ferit, železoprachové kostra drží všechno pohromadě vinutí měď nebo hliníkový drát výuky technických předmětů 17
Transformátory pasivní součástky pro výkonovou elektroniku přenos elektrické energie přes magnetický obvod jádro křemíková ocel pro nízké frekvence ferit pro vysoké frekvence Transformátor náhradní schéma R Cu, L lp ohmický odpor v mědi, rozptylová indukčnost na primárním vinutí (dtto na sekundáru) R core, L m - ztráty v mědi, magnetizace jádra při nezatíženém sekundáru prostá indukčnost, nejvyšší ztráty v železe výuky technických předmětů 18
Druhy transformátorů Transformátory napájecí přístrojové pro síťovou frekvenci přístrojové jednofázové síťové dostupné jako hotové součástky (montáž do plošných spojů nebo volně montované do krabice) speciální typy realizace na zakázku Transformátory pro spínané zdroje feritové, pracují na vysokých frekvencích (desítky khz) široký rozsah dostupných jader, vinutí na zakázku Speciální transformátory (oddělovací, proudové do měřících a regulačních obvodů) standardní rozsahy možné koupit navrhnout, nechat vyrobit na nakázku výuky technických předmětů 19
Aplikace transformátorů - bezkontaktní měření stejnosměrného proudu měřený proud I P protéká vodičem v toroidním jádru a vyvolává magn. tok v toroidním jádře je Hallova sonda, která převádí velikost magnetického toku na napětí Proud I S jako akční veličina z regulační smyčky se snaží vykompenzovat tok v toroidu tak, aby klesl až na nulu. měří se proud v kompenzačním vinutí, jeho velikost je přímo úměrná měřenému proudu (úměrnost dána počtem závitů) výuky technických předmětů 20
výuky technických předmětů Děkuji za pozornost Tento materiál vznikl v rámci projektu ESF CZ.1.07/2.2.00/28.0050 výuky technických předmětů, který je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem ČR.