Alexandr Krejèiøík
Napájecí zdroje III. Pasivní souèástky v napájecích zdrojích a preregulátory - aktivní harmonické filtry
Praha 1999
Alexandr Krejèiøík
NAPÁJECÍ ZDROJE III. -
- Pasivní souèástky v napájecích zdrojích a preregulátory - aktivní harmonické filtry Bez pøedchozího písemného svolení nakladatelství nesmí být kterákoli èást kopírována nebo rozmnoována jakoukoli formou (tisk, fotokopie, mikrofilm nebo jiný postup), zadána do informaèního systému nebo pøenáena v jiné formì èi jinými prostøedky. Autor a nakladatelství nepøejímají záruku za správnost titìných materiálù. Pøedkládané informace a zapojení jsou zveøejnìna bez ohledu na pøípadné patenty tøetích osob. Nároky na odkodnìní na základì zmìn, chyb nebo vynechání jsou zásadnì vylouèeny. Vechny registrované nebo jiné obchodní známky pouité v této knize jsou majetkem jejich vlastníkù. Uvedením nejsou zpochybnìna z toho vyplývající vlastnická práva. Vekerá práva vyhrazena © Ing. Alexandr Krejèiøík, Praha 1999 Nakladatelství BEN - technická literatura, Vìínova 5, Praha 10 Alexandr Krejèiøík: NAPÁJECÍ ZDROJE III. BEN - technická literatura, Praha 1999 1. vydání ISBN 80-86056-56-2
PØEDMLUVA Tøetí díl této publikace chce doplnit dva pøedcházející v tìch partiích, kterým se pøedcházející dva díly vìnovaly z hlediska konstrukce spínaných zdrojù pouze okrajovì a to jsou zejména pasivní souèástky. Pøipomínky k pøedcházejícím dvìma dílùm byly právì toho rázu, e obsahovaly pomìrnì detailní popis vlastností a zpùsobu aplikace integrovaných obvodù spínaných zdrojù, ale tyto zdroje se stejnì nedaly konstruovat podle uvedeného návodu pro chybìjící popis pasivních souèástek. Vzhledem k tomu, e v souèasné dobì na èeském trhu pøevládají pasivní souèástky z dovozu, je tato publikace orientována zejména na souèástky tìch výrobcù, jejich souèástky jsou ke koupi v Èeské republice. Vychází se zde tedy z materiálù firem Siemens, Philips a Rifa. Souèástky firmy Siemens-Matsushita dováí do ÈR firma Doe s. r. o., U drustva Ideál 7, 140 00 Praha 4, telefon (02) 643 0187, (02) 643 3901, její laskavostí byla zapùjèena i øada materiálù, pouitých do této knihy. Souèástky védské firmy Rifa (kondenzátory) je mono si objednat u zásilkové sluby firmy GES-ELECTRONICS, sady 5. kvìtna 28, 301 12 Plzeò, telefon (019) 7373111, fax (019) 7373199, e-mail:
[email protected] a na jejich prodejnách v Praze, Plzni a Hradci Králové. Souèástky vech výrobcù dodává i na dobírku firma Dieterich Schuricht GmbH & Co. KG, Bremen s certifikátem Lloyds Register Quality - DIN EN ISO 9002 s internetovou adresou http://www.schuricht.de, resp. její èeská poboèka SCHURICHT Elektronik CZ s. r. o.,Vranovská 19, 614 00 BRNO, mající tel./fax: (05) 4524 3218 (léto 1998). Firmu mohu doporuèit na základì osobní zkuenosti, kdy specielní integrované obvody byla schopna dodat do jednoho týdne od internetové objednávky se zaplacením dodateènì! Kromì popisu pasivních souèástek, jejich parametrù a aplikací je popsán i návrhový program pro magnetické materiály, detailní výrobní program feritových magneticky mìkkých materiálù firmy Pramet a kniha je doplnìna i obvody pro spínané zdroje, jejich popis v pøedcházejících dvou dílech byl jen okrajový - jedná se o obvody pro tzv. preregulátory, nazývané také nìkdy také obvody impulzní regulace na primární stranì nebo aktivní harmonické filtry. Vzhledem k tomu, e pro tuto publikaci bylo nutno prostudovat velké mnoství literatury, chtìl bych podìkovat studentovi FEL ÈVUT p. edovi (
[email protected]) za kvalitní, rychlý a levný poèítaèový pøeklad obrovského mnoství technických podkladù z angliètiny. Autor si je vìdom, e publikace i pøes svùj velký rozsah opìt není vyèerpávající a také není bez chyb a nepøesností. Pokud laskavý ètenáø bude mít k publikaci pøipomínky, budou vítány a prosím o jejich zaslání Internetem na adresu:
[email protected] autor
OBSAH Pøedmluva ......................................................................... 5 Seznam uitých zkratek ................................................. 14 16.
16.1 16.1.1 16.1.2 16.2 16.2.1
16.2.2 16.2.3 16.2.4 16.2.5 16.2.6 16.2.7 16.2.8 16.2.9 16.2.10 16.2.11 16.2.12 16.2.13 16.2.14 16.3 16.3.1 16.3.2 16.3.3 16.3.4 16.3.5
Kondenzátory .................................................................. 21
Kondenzátory MP ..................................................................... 22 MP kondenzátory pro stejnosmìrné aplikace ........................... 22 MP kondenzátory pro støídavé aplikace .................................... 23 Kondenzátory s pokoveným plastickým povlakem .................. 24 Kondenzátory s dielektrikem s pokoveným plastickým povlakem - MK ......................................................................... 25 MK kondenzátory se svazkovým povlakem ............................. 25 Výroba MK kondenzátorù se svazkovým povlakem ................ 25 Teplotní závislost kapacity ........................................................ 26 Frekvenèní závislost kapacity ................................................... 26 Jmenovité napìtí UR ................................................................................. 26 Napìtí US (pøi stejnosmìrném provozu) ................................... 27 Napìtí UC (pøi støídavém provozu) ........................................... 27 pièkové napìtí ......................................................................... 27 Vnitøní nárùst teploty ................................................................ 27 Schopnost práce s pulzy (schopnost pøenosu proudu) .............. 28 Ztrátový èinitel .......................................................................... 29 Izolaèní odpor ........................................................................... 29 Vlastní indukènost a impedance ............................................... 29 Styroflexové a polypropylenové kondenzátory ........................ 30 Jmenovitá kapacita CR a její mìøení ......................................... 31 Teplotní závislost kapacity, teplotní koeficient kapacity ac ...... 32 Závislost kapacity na vlhkosti, vlhkostní koeficient kapacity bc ............................................... 32 Závislost kapacity na frekvenci ................................................ 32 Náhradní obvodové zapojení a ztrátový èinitel tan d ............... 32
Alexandr Krejèiøík: Napájecí zdroje III. - BEN technická literatura
7
16.3.6 16.4 16.4.1 16.4.2 16.4.3 16.4.4 16.5 16.5.1 16.5.2 16.5.3 16.5.4 16.5.5 16.5.6 16.5.7 16.5.8 16.5.9 16.5.10 16.6 16.6.1 16.6.2 16.6.3 16.6.4 16.6.5 16.6.6 16.7 16.7.1 16.7.2 16.7.3 16.8 16.8.1 16.8.2 16.8.3 16.8.4
8
Jmenovité napìtí UR a jmenovitá teplota TR ................................... 33 Hliníkové elektrolytické kondenzátory..................................... 33 Konstrukce hliníkových elektrolytických kondenzátorù .......... 33 Standardy a specifikace ............................................................ 38 Parametry kondenzátorù ........................................................... 39 Teplotní výpoèty ....................................................................... 59 Tantalové elektrolytické kondenzátory ..................................... 72 pièkové napìtí Up .................................................................................... 72 Superponované støídavé napìtí ................................................. 72 Reverzní napìtí (opaèná = nesprávná polarizace) .................... 73 Antisériové zapojení (back to back) ......................................... 73 Skladování ve stavu bez napìtí ................................................. 73 Závislost kapacity na teplotì ..................................................... 74 Kapacitní závislost na frekvenci ............................................... 74 Dielektrická odolnost (pokles kapacity po 108 cyklech) .......... 74 Impedance (absolutní hodnota støídavého odporu) .................. 74 Svodový proud .......................................................................... 75 Rozdìlení kondenzátorù podle funkce...................................... 76 Aplikace a pouití elektrolytických kondenzátorù ................... 76 Filtrovací (akumulaèní) kondenzátory ...................................... 76 Impulzní kondenzátory ............................................................. 78 Útlumové kondenzátory ............................................................ 79 Komutaèní kondenzátory .......................................................... 80 Výkonové kondenzátory ........................................................... 81 Spojování kondenzátorù ........................................................... 82 Paralelní spojení Al elektrolytických kondenzátorù ................. 82 Sériové spojení Al elektrolytických kondenzátorù ................... 84 Kombinované sérioparalelní zapojení ...................................... 86 Pøíklady výpoètù ....................................................................... 90 Zjednoduený výpoèet efektivní hodnoty nesinusového prùbìhu .............................................................. 90 Výbìr nabíjecího kondenzátoru ................................................ 92 Pøíklad výpoètu nabíjecího kondenzátoru ................................ 94 Pøíklad výpoètu filtraèního kondenzátoru síového zdroje ....................................................................... 102
Alexandr Krejèiøík: Napájecí zdroje III. - BEN technická literatura
16.8.5 16.8.6 16.8.7
Pøíklad výpoètu filtraèního kondenzátoru spínaného zdroje ..................................................................... 110 Pøíklad výpoètu tøífázového zdroje ......................................... 115 Návrh LC filtrù spínaných zdrojù ........................................... 119
17.
Rezistory ........................................................................ 124
17.1 17.2 17.3 17.3.1 17.3.2 17.3.3 17.3.4 17.4 17.4.1 17.4.2 17.4.3
18.
18.1 18.1.1 18.1.2 18.1.3 18.1.4 18.1.5 18.1.6 18.2 18.2.1 18.2.2 18.2.3 18.2.4 18.2.5 18.2.6 18.2.7 18.2.8
Úvod do lineárních a nelineárních rezistorù ........................... 124 Lineární rezistory .................................................................... 124 Vrstvové rezistory ................................................................... 125 Vlastnosti vrstvových rezistorù .............................................. 125 Rezistory s uhlíkovou vrstvou ................................................ 129 Pøesné rezistory s kovovou vrstvou ........................................ 131 Drátem vinuté rezistory........................................................... 132 Nelineární rezistory ................................................................. 134 NTC termistory ....................................................................... 134 PTC termistory ........................................................................ 140 Varistory .................................................................................. 141
Cívky .............................................................................. 142
Magnetické feritové materiály ................................................ 142 Výroba feritù ........................................................................... 142 Charakteristiky materiálù ........................................................ 142 Veobecná technická data ....................................................... 143 Odolnost proti vlhkosti ........................................................... 143 Odolnost proti záøení .............................................................. 143 Smrtìní rozmìrù vlivem sintrovacího procesu ..................... 143 Definice velièin ....................................................................... 144 Hystereze ................................................................................. 144 Hysterezní smyèka .................................................................. 144 Základní parametry hysterezní køivky .................................... 147 Permeabilita ............................................................................ 148 Charakteristiky tvaru magnetických jader .............................. 152 Definièní velièiny ztrát v oblastech s malým signálem .......... 154 Definice ztrátových velièin ve výkonové oblasti ................... 156 Vliv teploty ............................................................................. 158
Alexandr Krejèiøík: Napájecí zdroje III. - BEN technická literatura
9
18.3 18.3.1 18.3.2 18.3.3 18.3.4 18.4 18.4.1 18.4.2 18.4.3 18.5 18.5.1 18.5.2 18.6 18.6.1 18.6.2 18.7 18.7.1 18.7.2 18.7.3 18.7.4 18.7.5 18.7.6 18.7.7 18.7.8 18.7.9 18.7.10 18.7.11 18.7.12 18.7.13 18.7.14 18.7.15 18.8 18.8.1 18.8.2 18.8.3 10
Vlastnosti feritù ....................................................................... 160 Mechanická stabilita ............................................................... 160 Rezistivita (mìrný elektrický odpor) ...................................... 161 Relativní permitivita ............................................................... 162 Magnetostrikce ........................................................................ 162 Návrh cívky podle firmy Siemens .......................................... 162 Vyuití grafù pøi návrhu cívky ................................................ 163 Pøíklad ..................................................................................... 164 Typický výpoèet cívky ............................................................ 165 Návrh výkonových transformátorù podle firmy Siemens ............................................................... 167 Typické hodnoty pøenosového výkonu ................................... 167 Poznámka k Amin ..................................................................................... 168 Návrh jádra podle firmy Philips.............................................. 168 Prùvodce výbìrem typu jádra a kvality materiálu .................. 168 Kategorie aplikací ................................................................... 168 Jádra cívek pro spínané zdroje ................................................ 170 Obvody spínaných zdrojù ....................................................... 170 Výbìr jádra.............................................................................. 171 Uspoøádání vinutí .................................................................... 172 Pracovní frekvence ................................................................. 172 Okolní teplota.......................................................................... 172 Teplota jádra ............................................................................ 172 Magnetická indukce B ............................................................ 172 Vyuití okna cívky pro vinutí ................................................. 173 Pomìr FW/FR .............................................................................................. 174 Pomìr g (zpìtnovazební mìnièe) ............................................ 174 Vyvaování dvojèinných mìnièù ............................................ 174 Postup výbìru jádra ................................................................ 175 Návrh výkonové tlumivky ...................................................... 176 Návrh vinutí ............................................................................ 180 Sestavy transformátorù ........................................................... 183 Pøíklady aplikací ..................................................................... 185 Jádra pro pouití ve filtrech .................................................... 185 Typický výpoèet rezonanèního obvodu s cívkou ................... 186 Jádra pro irokopásmové transformátory ................................ 188 Alexandr Krejèiøík: Napájecí zdroje III. - BEN technická literatura
18.8.4 18.8.5 18.8.6
Jádra pro induktivní èidla ....................................................... 189 Jádra pro výkonová pouití ..................................................... 190 Postup výbìru jader pro transformátory do spínaných zdrojù ................................................................ 194
19.
Program Magnetic Design Tool firmy Siemens ......... 204
19.1 19.1.1 19.2 19.3 19.3.1 19.4 19.4.1 19.4.2 19.5 19.5.1 19.5.2 19.6 19.6.1 19.6.2 19.7 19.7.1 19.7.2 19.8 19.8.1 19.8.2 19.9 19.9.1 19.10 19.10.1 19.11 19.11.1 19.12 19.13 19.13.1 19.13.2
Editor ....................................................................................... 205 Nástrojová lita ....................................................................... 206 Základy obsluhy programu ..................................................... 207 Hysterezní smyèka (Hysteresis Loop) .................................... 208 Základní parametry hysterezní køivky .................................... 209 Poèáteèní permeabilita ............................................................ 210 Postup ...................................................................................... 210 Støední hodnoty µi .................................................................................... 210 Výkonové ztráty ...................................................................... 211 Postup ...................................................................................... 213 Mìøení hodnot P ...................................................................... 214 Amplitudová permeabilita ...................................................... 214 Postup ...................................................................................... 215 Støední hodnota µa ................................................................................... 215 Komplexní permeabilita ......................................................... 215 Postup ...................................................................................... 215 Støední hodnoty µ(f), µ(f), nebo tan d/µi .................................... 216 Core Form (vlastnosti magnetických jader)............................ 216 Efektivní permeabilita ............................................................. 216 Postup ...................................................................................... 218 Pøenosový výkon Ptrans .......................................................................... 218 Postup ...................................................................................... 218 Data Overview (pøehled parametrù) ....................................... 219 Postup ...................................................................................... 219 Data File (soubory dat) ........................................................... 220 Postup ...................................................................................... 220 Calculator (kalkulaèka) ........................................................... 220 Core Advanced (dalí parametry jader) .................................. 221 Reverzní permeabilita ............................................................. 221 Postup ...................................................................................... 221
Alexandr Krejèiøík: Napájecí zdroje III. - BEN technická literatura
11
19.14 19.14.1 19.15 19.15.1 19.15.2 19.16 19.16.1 19.16.2 19.16.3 19.16.4
Inductor Design (návrh cívky) ................................................ 223 Postup ...................................................................................... 223 Wire Design (návrh vinutí) ..................................................... 224 Postup ...................................................................................... 224 Vztahy ..................................................................................... 225 Graph Control (okno tvorba grafù) ......................................... 225 Layout grafù ............................................................................ 225 Tisk grafu ................................................................................ 225 Export grafu ............................................................................ 225 Export jako grafický soubor ................................................... 225
20.
Magneticky mìkké materiály FONOX firmy PRAMET ............................................................ 227
20.1 20.2 20.3 20.4 20.5 20.6 20.7 20.7.1 20.7.2 20.7.3 20.7.4 20.7.5 20.7.6 20.7.7 20.7.8 20.8 20.9 20.10
Veobecné údaje materiálù firmy Pramet ............................... 227 Podmínky mìøení .................................................................... 229 Pouití feritových materiálù FONOX ..................................... 230 Grafické závislosti parametrù materiálù FONOX ................................................................... 230 Èíselné parametry materiálù FONOX .................................... 236 Tvary feritových jader FONOX .............................................. 238 Feritová jádra pro výkonové pouití ....................................... 244 Materiálové vlastností E jader (pouze vybraná jádra) ............ 244 Materiálové vlastností ETD jader (pouze vybraná) ................ 247 Materiálové vlastností EF jader (pouze vybraná) ................... 249 Materiálové vlastností U jader (pouze vybraná jádra) ............ 251 Materiálové vlastností EC jader (pouze vybraná) .................. 253 Materiálové vlastností hrníèkových jader (vybraná) .............. 255 Materiálové vlastností RM jader (pouze vybraná) ................. 257 Materiálové vlastností toroidních jader (vybraná) .................. 259 Maximální proud a poèet závitù ............................................. 260 Akumulovaná energie ............................................................. 263 Zmìna AL konstanty ............................................................ 264
21.
Feritová jádra firmy Philips ........................................ 266
22.
Feritová jádra firmy Siemens ...................................... 270
12
Alexandr Krejèiøík: Napájecí zdroje III. - BEN technická literatura
23.
23.1 23.1.1 23.2 23.2.1 23.2.2 23.2.3 23.2.4 23.2.5 23.2.6
Preregulátory ................................................................ 272
Aktivní harmonické filtrování pro síové usmìròovaèe vyích výstupních výkonù .................................................................. 273 Popis funkce aktivního harmonického filtru se zdrojem sinusového proudu a stabilizovaným stejnosmìrným napìtím na výstupu .................................................................................... 276 Preregulátory firmy Siemens .................................................. 281 TDA 4814A - aktivní harmonický filtr pro 250 W ................ 281 Obvod TDA4816G.................................................................. 294 Obvod TDA4817 .................................................................... 304 Obvody TDA4815/19 ............................................................. 305 Obvody TDA4918/19 ............................................................. 305 Obvody TDA4916/19 ............................................................. 327
Literatura ...................................................................... 333 Závìr .............................................................................. 334 Pøíloha I a IV ............................................................... 335 PREZENTACE FIREM GES-ELECTRONICS spol. s r. o. ............................................................ 339 DOE spol. s r. o. (souèástky SIEMENS + MATSUSHITA) ..................... 340 èasopis RADIO (FCC Public) .................................................................. 342 èasopis KTE Rádio plus ........................................................................ 343 Knihy nakladatelství BEN technická literatura: elektronika a elektrotechnika........................................................ 344346 edice Napájecí zdroje ........................................................................... 347 edice Postavte si PC ............................................................................. 348 Program pro návrh magnetických obvodù ............................................... 349 Kreslicí program VISIO 5.0 (pro tvorbu technické dokumentace) .......... 350 Adresy a spojení na firmu BEN technická literatura............................. 351 A na závìr pár slov o nás .......................................................................... 352
Alexandr Krejèiøík: Napájecí zdroje III. - BEN technická literatura
13
