feszültség konstans áram konstans

Szélessávú Hírközlés és Villamosságtan Tanszék Űrtechnológia laboratórium

Szabó József Egyszerű feszültség és áramszabályozó

Űrtechnológia a gyakorlatban Budapest, 2014. április 10.

Űrtetechnológia a gyakorlatban 2014. 04. 10.

Ismétlés

Egyszerű feszültség és áramszabályozó / 2

Egyszerű párhuzam a műholdfedélzeti energiaellátás két alapesetével • DET és PPT elvek • Egyszerű sönt szabályozó és DET párhuzam – Generátor + ellenállások – Zener dióda – Kimenet

= napelem = sönt = busz terhelés

• Egyszerű áram v. feszültség szabályozó és PPT párhuzam – Generátor + ellenállások – Tranzisztor – Kimenet

= napelem = soros = busz terhelés



Ismétlés

Energiaellátó rendszer alapvető architektúrák • Párhuzamos szabályozás (DET) Inapelem = Isönt + Iterhelés feszültség konstans • Soros szabályozás (PPT) Unapelem = Usoros + Uterhelés áram konstans Isa

Napelem

Napelem

Konstans terhelés

Párhuzamos

Soros

Terhelés

Terhelés

Párhuzamos szabályozás (DET)

Napelem

• A és B pont Pnapelem = Pterhelés • C és D pont Pnapelem max = Pterhelés + Psönt Usa


Célok

Egyszerű áramnyelő szabályozó Us

R1

Ub=Us*R2/(R1+R2)

Rt


Egyszerű soros feszültség szabályozó

It=Ue/Re

Ube=0.7V Ue=Ub-Ube

R2

Re

•R1-R2 "feszültség generátor"

•R1-R2 "feszültség generátor"

•Re áram beállító (kis hőfokfüggés)

•Rc másodlagos szerepe (0-Rmax)

•Rt terhelés

•Rt terhelés



Egyszerű soros feszültség szabályozó 1. Us

Kimenet szűrése. R1

Ub=Us*R2/(R1+R2)

R2

Rc

Ube=0.7V

Ue=Ut=Ub-Ube C Rt




R1

Ub=Us*R2/(R1+R2)

Rc

Kimenet független a terhelés változástól.

Ube=0.7V

Ue=Ut=Uz-Ube

Uz C

Rt




R1

Ub=Us*R2/(R1+R2)

Rc

Kimenet független a “pn” átmenet hőmérsékletének változásától.

Ube=0.7V

C

Ue=Ut=Uz+Ud-Ube=Uz ha Ud=Ube Rt

Uz




R1

Rc

• Kimenet független a Zener dinamikus ellenállásától (terhelés változásra). • Zener “hibajel erősítő” szerepe

Ub=Us*R2/(R1+R2)

Ube=0.7V

Ue=Ut=Uz+Ube T1 Uz

T2 R2

C

Rt



• Tranzisztor Aktív áramköri elemek – Áramvezérelt (idális nincs) – BE dióda vékony BC dióda vastag bázisú – A három fő paraméter Icmax Ucemax fT – PNP és NPN • MOS tranzisztor – Feszültség vezérelt – A három fő paraméter Idmax Udsmax Rdson – P és N típus • Jfet (field-effect transistor) • Tirisztor, triak, IGBT, pjt, ujt stb.


Tranzisztor paraméterek hőfokfüggése




Egyszerű áram szabályozó tervezése (mintapélda) • Feszültség forrás + áram szabályozó = áramgenerátor • Áramiránytól függően: – Nyelő típusú (current sink) – Forrás típus (current source) • Áramköri elhelyezkedéstől függően: – Fezsültség forrás pozitív kapcsa (forrás) – Feszültség forrás negatív kapcsa (nyelő)

Áram iránya


Us


R1

It=Ue/Re

Rt

Ib

c

Ub=Us*R2/(R1+R2)

Ube=0.7V

b e Iosztó

R2

Ue=Ub-Ube Re

Ideális esetben: • Ib << Iosztó = Us/(R1+ R2) • B végtelen • Ube hőfokfüggetlen

Egyszerű áramnyelő szabályozó tervezése (mintapélda) Terhelés: • Rt min = 0 ohm • Rt max = (Us-Ue-Ube)/It (az aktív tartomány határa)

Valóságos esetben: • Ib


Egyszerű áramnyelő szabályozó tervezés R1 Ub = ⋅Us R1 + R 2

Ha Ib << Iosztó akkor Ha Ib < Iosztó akkor

R2 R1 ⋅ R 2 Ub = Us ⋅ + Ib ⋅ R1 + R 2 R1 + R 2

Ha Ib << It

akkor

It Ic Ib = = B B

Ha Ib < It

akkor

It Ic Ib = = B B

It =

Ub − Uf 1 ⋅ 1 Re 1+ B

Ub − Uf It = Re

Ub − Uf It = − Ib Re

Ub − Uf B It = ⋅ Re 1+ B

Ube=Uf



Tranzisztor Ube nyitófeszültség hőfok kompenzálása It=Ue/Re Us

It=Ue/Re R1

Rt

R1 Rt Us

Ub=Uf+(Us-Uf)*R2/(R1+R2)

Ube=0.7V Ue=Ub-Ube

Uf=0.7V

Ub=Ube+(Us-Ube)*R2/(R1+R2) Ube=0.7V

Re

UR2=(Us-Ube)*R2/(R1+R2) Ue=Ub-Ube

UR2=(Us-Uf)*R2/(R1+R2)

R2 R2

Ube=0.7V

Re



Tranzisztor B egyenáramú erősítés hőfok és Us változás kompenzálása It=Ue/Re R1 Rt Us

Ube=0.7V

Ub=Ube+Uz Ube=0.7V

Ue=Ub-Ube=Uz Uz

Re



Példák a Netről

Precision Current Source

Precision Current Sink



Mintapélda mérési eredményekkel UB =

Az áram változása a hőmérséklet függvényében

R2 ⋅ 9V = 9V − 0,7V + − R E ⋅ it R1 + R 2

10V

20,570 20,560

14V

LED2 CQX35A

20,590 20,580

R1

12V 20V

20,550 20,540

30V

V1 9

20,530 20,520 -60

-30

0

25

29

50

T2 !NPN

80

R2

Hőmérséklet [Celsius fok]

+

Re

Mért áram [mA]

20,610 20,600

R1 75k +

T1 !NPN

FR1 NORPS-11

-+

LED1 CQX35A

U1 BAL74C

OP1 !OPAMP

R2 125

C1 100n

C2 47u

R3 13k

U2 9

+

Ω

ZM1


Célok (ismétlés)

Egyszerű áramnyelő szabályozó Us

R1

Ub=Us*R2/(R1+R2)

Rt


Egyszerű soros feszültség szabályozó

It=Ue/Re

Ube=0.7V Ue=Ub-Ube

R2

Re

•R1-R2 ”feszültség generátor”

•R1-R2 “feszültség generátor”

•Re áram beállító

•Rc másodlagos szerepe

•Rt terhelés

•Rt terhelés



Tervezés követelményei Alap paraméterek Optimális tervezés • • • • • •

Ube minimum Ube maximum Uki Uki tolerancia Iki minimum Iki maximum

• • • •

Hőmérséklet min Hőmérséklet max Paraméter szórás Aktív eszköz disszipáció minimalizálás • Szabályozó fogyasztás minimalizálás = hatásfok max



Tápegységek (fontosabb fogalmak) Elsődleges energiaforrás

Tápegység

Fogyasztó

Tápegységek illesztik az elsődleges energia forrást a fogyasztóhoz. Energia forrás: – feszültség generátor, áramgenerátor, vagy “vegyes” (napelem) – egyen vagy váltó paraméterű (DC vagy AC)

Tápegységek osztályozás szempontok – – – – – –

felhasználás célja (berendezésbe építhető, nyákba építhető, labor asztali) energia bemenetek száma (egy vagy több bemenet) kimenetek száma (egy vagy több kimenet) üzemmód (lineáris vagy kapcsoló üzemű) állandó vagy változtatható ki és bemeneti paraméterek (CV, CC, vegyes) galvanikus elválasztás

Tápegységek felépítése – energia átviteli lánc – vezérlő kör



Energia átviteli lánc elemei • Egyeneirányítók (AC energia forrásból DC) • Transzformátorok (AC energia forrásból másik AC) • Lineáris üzem – soros (PPT) beavatkozó elem – párhuzamos (DET) sönt beavatkozó elem – transzformátor • Kapcsoló üzemű cella elemei – vezérelt kapcsolók (tranzisztor) – polaritás vezérelt kapcsolók (dióda) – energia tárolók (kondenzátor, tekercs) – transzformátorok – szűrők (kondenzátorok, tekercsek)



Vezérlőkör elemei

• Referencia forrás • Hibajel erősítő (Referencia és szabályozott paraméter összehasonlítása) • Bekapcsolási csúcsáram korlátozó (töltetlen energiatárolók) • Alulfeszültség védelem (kapcsoló üzem esetén fontos) • Túlfeszültség védelem (bemeneten és kimeneten is lehet fontos) • Túláram védelem • Túlmelegedés védelem • Üzemállapot jelzés • Hibajelzés • Analóg telemetria Kapcsolóüzemű szabályozó típusok: – Feszültség módusú – Árammódusú



Referencia zener diódával

Us − Ubz Uz = Ubz + Iz ⋅ Zz = Ubz + ⋅ Zz R + Zz



Referencia zener diódával és konstan áramú generátorral • +2mV/C° zener dióda • -2mV/C° tranzisztor bázis

Ubet1 Iz = Rs Uref = Uz + Ubet1 = Ubz + Iz ⋅ Zz + Ubet1


• • • •

Elhanyagolható bázisáramok K konstans ∆Tj réteghőmérséklet változás I1 > I2


Bandgap referencia

Uref = Ubet 3 + I 2 ⋅ R 2

Ubet1 − Ubet 2 I2 = R1

∆Ubet1 − ∆Ubet 2 ∆Uref = ∆Ubet 3 + ⋅ R2 R1

∆Ubet1 = ∆Tj ⋅ K ⋅ ln I 1 • ∆Ubet3 negatív (-2mV/K°) ∆Ubet 2 = ∆Tj ⋅ K ⋅ ln I 2 • I1 > I2 tehát R2 I1 ln(I1/I2) pozitív ∆Uref = ∆Ubet 3 + ∆Tj ⋅ K ⋅ ⋅ ln R1 I 2• I1, R1, R2 --> ∆Uref = 0



Tranzisztoros feszültség szabályozó

Energiaforrás

Alapjel (referencia)

Beavatkozó jel

Hibajelerősítő

Szabályozó eszköz Szabályozott kimenet

Ellenőrző jel = Uki*R2/(R1+R2)



Az anyaghoz kapcsolódó kérdések • • • • • • • • • • •

Milyen tranzisztor típusokat ismer? Mi határozza meg a munkaponti áramot a különböző fajták esetében? Mutassa be az egyszerű áramnyelő szabályozót. Mely paraméterek befolyásolják az áram érték pontosságát és milyen módszerekkel lehet a pontosságot javítani? Ismertesse az egyszerű áramnyelő szabályozó méretezés szempontjai! (Számpélda: méretezés adott paraméterekkel) Milyen módszereket lehet használni a terhelés és hőmérséklet változás hatásainak kiküszöbölésére az egyszerű áramszabályozó esetében? Milyen módon származtatható az egyszerű áramszabályozóból feszültségszabályozó? Milyen módszereket lehet használni a terhelés és hőmérséklet változás hatásainak kiküszöbölésére egyszerű soros feszültség szabályozó esetében? Egyszerű feszültség szabályozó méretezés szempontjai! (Számpélda: méretezés adott paraméterekkel) Milyen szempontok szerint osztályozzuk a tápegységeket? Milyen főbb egységekből épül fel egy tápegység, mik az egységek alkotó elemei? Milyen referencia feszültség forrásokat ismer és milyen azok hőmérséklet függése? Ismertesse a hibajel erősítőt tartalmazó feszültség szabályozó működési elvét!

feszültség konstans áram konstans

Recommend Documents