Stabilizované zdroje napětí a proudu

Stabilizované zdroje napětí a proudu Lubomír Slavík TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií

Materiál vznikl v rámci projektu ESF (CZ.1.07/2.2.00/07.0247) Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření, který je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem ČR

Stabilizované zdroje napětí a proudu Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření

Obsah přednášky Stabilizované zdroje napětí základní vlastnosti činitel stabilizace vnitřní odpor lineární zdroje spínané zdroje Stabilizované zdroje proudu Ochranné prvky stabilizátorů Nabídka trhu


Napájecí zdroje zařízení, které je schopné dodat elektrickému systému napětí či proud potřebný k jeho činnosti základní vlastnosti každé elektronické zařízení je nutné napájet – je třeba rozlišovat signálové a napájení napájecí svorky Elektrický obvod signálový vstup

signálový výstup

standardní síťový napájecí zdroj 230V/50Hz t t

50Hz Síťový transformátor

f

Usměrňovač f

t

Stabilizátor

f

f

síťový transformátor primární vinutí

síť 230V/50Hz

t

usměrňovač

magnetický obvod sekundární vinutí

. Z

U N n  1  1  . U2 N2

t

Usměrňovač f

t

f


Jednocestný jednofázový usměrňovač s kapacitní zátěží zapojení

iD

ud

u1

iRz

D +

u2

C

RZ

charakteristiky u1, u2

5.00 4.00 2.00 0.00 -2.00 -4.00 -5.00

USMER_1CEST_KAPACIT.CIR

0.00m v(1) v(2)

14.00m

28.00m

42.00m

56.00m

70.00m

42.00m

56.00m

70.00m

42.00m

56.00m

70.00m

T 120.00m iD 90.00m 60.00m 30.00m 0.00m -30.00m

0.00m i(D)

14.00m

28.00m T

iRz

12.50m 10.00m 7.50m 5.00m 2.50m 0.00m

0.00m i(R)

14.00m

28.00m T


Dvoucestný jednofázový usměrňovač s kapacitní zátěží s diferenciálním transformátorem iRz

iD1 D1 +

C

u1 u11

RZ

u2

D2

iD2 u1, u2

můstkový (Graetzův můstek)

USMER_2CEST_KAPACIT_GRAETZ.CIR

5.00 4.00 2.00 0.00 -2.00

iD1, iD2

D4

-4.00 -5.00

iD1 D1

0.00m v(1)-v(2)

10.00m

20.00m

30.00m

40.00m

50.00m

30.00m

40.00m

50.00m

v(3) T

iRz

iD1, iD2

3.50m 2.80m

u1

D3

D2

iD2

C

+

2.10m

RZ

u2

1.40m 0.70m 0.00m

0.00m i(D1) i(D2)

10.00m

20.00m T


Násobiče napětí

zdvojovač napětí .

NASOBIC_KASKADNI.CIR

10.00

u2

u2=2U0

u1, uD2 u2 5.00

C2

+

u1

iD1 +

C1

D1

D2

uD2

uD 2

0.00

iD2

u1

-5.00

U0 -10.00

2U0

2U0

C2

C4

D1 +

180.00m

240.00m

kaskáda Graetzových můstků

.

u2=4U0

D2

iD2

+

C3

U0

2U0 .

u2'=3U0

D1-D4

+

+

C1

120.00m T

Uout = 4 x Uin

u1

0.00m 60.00m v(6) v(7)-v(8) v(7)-v(6)

D3

D4

uD4

u1

CV1'

+

CN1

D5-D8

CV2'

+

CV1

u2

CN2

D9-D12 +

CV2

CN3

300.00m


Stabilizátory napětí stabilizuje hodnotu napětí na výstupu omezuje zvlnění zdroje

t

Stabilizátor napětí

musí dodat do zátěže potřebný výkon činitel stabilizace

f

U1 U U1 U1 p   2 U 2 U1 U 2 U2

f

p  10 2  103

vnitřní odpor (chová se jako odpor v sérii s ideálním zdrojem) rozdělení lineární parametrické zpětnovazební 3 a 4 svorkové spínané

t

U OUT ri  I OUT


Lineární stabilizátory napětí Parametrické stabilizátory napětí parametrické stabilizátory napětí využívají ke stabilizaci vhodný tvar převodní charakteristiky nelineárního prvku ‐ např. Zenerovy diody nebo diody Stabilizátor se Zenerovou diodou

U p  2 U1

rz

iZD

AV charakteristika při i2 = konst. iZDmax

2

iZD0

P

iZDmin

1

uZD0 u1min

u1max

uZD=u2

 R   1   rZ  


Stabilizátor s tranzistorem a Zenerovou diodou proudové posílení stabilizátoru se Zenerovou diodou, proud omezen vlastnostmi tranzistoru (ICmax, Pmax) U 2  U Z  U BE

Vlastnosti stabilizátorů se Zenerovými a křemíkovými diodami + jednoduchost zapojení + nízká cena + velký výběr hodnot stabilizovaných napětí - nízký činitel stabilizace - špatná teplotní stabilita ‐ poměrně velký vnitřní odpor ‐ malé proudy do zátěže (cca desítky mA)

Diodový stabilizátor dioda nebo více diod v propustném směru i1

i2

R IF

u1

D

u2

RZ


Napěťové reference (Micro-power Voltage References) elektronická náhrada Zenerovy diody, ale výrazně lepší vlastnosti nízký sériový odpor (<1 Ohm) vyšší teplotní stabilita (<30 ppm/K) vysoká přesnost referenčního napětí a)

b)

R

u1

u2

NRO

c)

RZ

NRO u1

LM185

AD584

+10V +5V +2,5V +Uref

u1

R NRO

Ucc

R2

1M 5

240k 3

+ 2

MAT-01

-

O P-90

7

6 5

4

1n

T1 R3

T2 68k

R4 133k

R5 20k

Ur 1,230 V

RZ

plynule nastavitelné napětí

band‐gap reference využívají dvou tranzistorů a protichůdné teplotní závislosti UBE a IC nízké stabilní napětí (0,5 – 0,6V) R1

u2


Zpětnovazební stabilizátory obsahují napěťovou referenci (obvykle Zenerovu diodu buzenou proudovým zdrojem nebo band‐gap) rozdílový (diferenční) zesilovač, zesilující odchylku mezi požadovaným výstupním a referenčním napětím výkonový regulační člen, zajišťující korekci výstupního napětí podle regulační odchylky integrovány do jednoho pouzdra (IO) obsahují další prvky teplotní, proudová pojistka možnost vypínání napětí na výstupu

sériový regulační člen

paralelní regulační člen


Lineární třísvorkové stabilizátory (LTS) + nízké zvlnění + vysoký činitel stabilizace ‐ nízká účinnost → nutnost chlazení s kladným nebo záporným výstupním napětím s pevným nebo proměnným výstupním napětím a)

c)

b)

LTS +

+ +

u1

C1

C2

+

-

+

-

u2

u1

-

+

-

LTS +

C1

C2 +

u2 +

LTS +

+ +

u1

+ R1

C1 R2

+

C2 u 2 C

N pevné kladné napětí pevné záporné napětí 78xx … xx = napětí 79xx … xx = napětí proměnné napětí LM317 LM337 sledovací stabilizátory – obě polarity napájení (a – dvě pouzdra, b – jedno pouzdro)

a)

b) LTS +

+ +u1

+

C1

+ C2

+

GND

-u1

+u2 GND

+

C1

C2 LTS -

R

+

-u2

+ +u1

GND

-u1 -

C2 C1 C1

LTS sledovacího typu R

+ C3

+u2 GND

C2 C3

-u2 -

plovoucí stabilizátory – vysoké napětí ovládáno vnějšími prvky LTS (tranzistor)

-


Spínané zdroje (Switched Mode Power Supply) + vysoká účinnost (>70%) + rychlá regulace + nižší rozměry a hmotnost - vyšší zvlnění řídí tok energie změnou střídy obdélníkového řídicího signálu spínače (PWM)

AC/DC

Filtr DP

Spínač

Transformátor

AC/DC

Filtr DP výstup

vstup

Řízení

Comp

Osc

Ref

frekvence spínání – 50kHz – 1MHz měniče (konvertory) DC/DC, obě napětí jsou stejnosměrná, ale obecně rozdílné velikosti měniče DC/AC, na výstupu je vynecháno usměrnění, výstup je střídavý měniče AC/AC, usměrnění je vynecháno na vstupu i výstupu


Kritéria rozdělení Podle velikosti spínacího kmitočtu zdroje s kmitočtem sítě zdroje s kmitočtem vyšším, něž síťovým (měniče) Podle toho, zda je použita cívka (transformace energie) zdroje s indukčností (cívka s feritovým jádrem nebo transformátor) zdroje bez indukčnosti (obsahují násobiče napětí) Podle srovnání výstupního napětí se vstupním obvody pro snížení napětí (konvertory typu Step‐Down) obvody pro zvýšení napětí (konvertory Step‐Up) invertory (Inverters) Podle způsobu přenosu energie ze vstupu na výstup zdroje s propustným zapojením (označované jako FORWARD) zdroje s akumulujícím zapojením (FLYBACK) zdroje s dvoučinným zapojením (PUSH‐PULL) zdroje s můstkovým zapojením (tzv. polomost nebo plný most)


Základní typy zapojení STEP UP (UIN
STEP DOWN (UIN>UOUT)

a)

u1 c)

u1

L

S D

uL

i2'

i2 S

b) +

C

u2

RZ

d)

D L

uL

u1

C u + 2

RZ

L

uL

D S

i1

i2 +

C u 2

RZ

+

C u 2

RZ

D

i1 Tr

u1 S

invertor

FLY‐BACK

spínač S je obvykle tranzistor NPN nebo MOSFET (případně IGBT) na výstupu je vhodné zapojit filtr pro snížení zvlnění výstupního napětí


Princip pulzně‐šířkového řízení (Puls With Modulation – PWM)

uspin

OBR12_42A.CIR

5.832

t2 3.000

t1 0.000 -0.789

1.016 v(Switch)

1.023 T

6.000

u1,u2

5.000 4.000 3.000 2.000 1.000 0.000 -1.000

0.000 0.600 v(vstup) v(vystup)

1.200

1.800

2.400

3.000

3.600

T

střední hodnota výstupního napětí závisí na střídě spínacích pulzů (t1/t2) spínací frekvence >> zvlnění vstupního napětí

4.000


Zdroje proudu výstupní proud je konstantní značení:

Proudový zdroj s tranzistorem NPN (zapojeným jako emitorový sledovač)


Proudové zrcadlo při výběru stejných tranzistorů jsou shodné bázové proudy, následně při stejném zesílení tranzistoru (β) je i kolektorový proud stejný

Iz ≈ Iref Ib1 = Ib2 Proudový zdroj s linenárním stabilizátorem napětí výstupní proud je dán výstupním napětím a odporem mezi výstupními svorkami stabilizátoru


Proudový zdroj s OZ Neinvertující zapojení OZ

Bootstrap zapojení

proud zátěží je dán vstupním napětím a odporem R1

proud zátěží je dán napětím reference a odporem R1

nevýhoda – plovoucí obvod

jeden konec zátěže spojen se společným bodem

U1 Iz  R1

U REF Iz  R1


Ochranné prvky stabilizátorů Proudové pojistky tavné pojistky T – pomalá pojistka F – rychlá pojistka elektronické pojistky tranzistorová pojistka tyristorová pojistka vratné polymerové pojistky – polyswitche (mění strukturu s teplotou)

Přepěťové pojistky

tyristor nevede proud, dokud nejde proud řídicí elektrodou (i když je na něm napětí) vede proud i po odpojení řídicího proudu, když je na něm napětí


Kritéria při výběru zdroje počet výstupů napěťové úrovně proudové zatížení regulace proudové pojistky galvanické oddělení jednotlivých zdrojů činitel stabilizace ‐ rychlost reakce na proudové špičky typ zdroje lineární spínaný možnost 4‐svorkového zapojení (měření napětí až na zátěži) komunikace – sběrnice LAN, USB, RS232, GPIB


Nabídka trhu ‐ zdroje nejvyšší kvality spolehlivé

vysoký komfort obsluhy

dlouhodobá stabilita

možnost 4‐svorkového zapojení

sběrnice – GPIB, RS232, USB, LAN

drahé

Agilent (USA)

Statron (Německo)


Nabídka trhu ‐ zdroje střední třídy Sorensen

BK precision


Nabídka trhu ‐ zdroje východní provenience a ČR Manson, Mastech, Xantrex, Diametral (ČR)

pro většinu aplikací postačující bez dálk. ovládání levné (2000 – 15000Kč)

Stabilizované zdroje napětí a proudu

Recommend Documents