Elektroniczne Układy i Systemy Zasilania

1. Elektroniczne Układy i Systemy Zasilania Wykład 8 Politechnika Śląska w Gliwicach Wydział Automatyki, Elektroniki i Informatyki dr inż. Ryszard Siurek

2. Elementy filtrów obwodów wyjściowych Kondensatory elektrolityczne Schemat zastępczy rzeczywistego kondensatora UC C iC(t) C Lc rc T iC(t) t ULC UrC UCC ULC dla kondensatora 100mF/35V przy DIc = 1,25A C = 100 mF DUc = 0,1V rc = 200 mW DUrc = 0,25V Lc = 100 nH DULC = 0,0125V UrC UCC UC Zasadniczy wpływ na wielkość tętnień napięcia wyjścio-wego ma rezystancja szeregowa kondensatorów elektro-litycznych – stosujemy kondensatory specjalne o małym rs

3. Wpływ skutecznej wartości prądu na kondensatory filtrów wyjściowych zasilaczy impulsowych Przetwornica dwutaktowa Przetwornica jednotaktowa załóżmy: - przepływ krytyczny - g = 0,5 - I0 = 5A ID ID Imax I0 I0 t T t T Imax = 4I0 = 20A DID< 20%I0 = 1A IC IC DULC DUC DUC DUCC+DULC załóżmy: rC = 20mW DUC > 400 mV DUC < 20 - 25 mV Icsk= 8,16 A Icsk= 0,81 A

4. Zasady doboru kondensatorów elektrolitycznych stosowanych w zasilaczach impulsowych Kt pojemność napięcie znamionowe [mF] [V] 25 50 80 2200 1780 2120 2480 4700 2770 3240 6800 3670 4350 2 1 Dopuszczalne wartości skuteczne prądu [mA] dla kondensatorów elektrolitycznych przy temperaturze 85oC lub 105oC i częstotliwości 120Hz (taki prąd powoduje przyrost temperatury kondensatora < 8 deg) 20 40 60 80 100 [oC] Kf 160-450V 1,4 63-100V Icskmax=KtKfIsk 1,2 1 120 1k 10k [Hz]

5. dobieramy kondensatory z małą rezystancją szeregową (specjalne) ze względu na małe tętnienia napięcia wyjściowego • dobieramy kondensator (lub kilka kondensatorów łączonych równolegle) tak, aby nie przekroczyć maksymalnego dopuszczalnego prądu skutecznego • dobieramy kondensatory o możliwie maksymalnych gabarytach ze względu na możliwości odprowadzania ciepła (straty mocy czynnej na rezystancji szeregowej rs) • minimalizujemy i symetryzujemy rezystancje szeregowe doprowadzeń elektrycznych do kondensatorów (ścieżki obwodu drukowanego, przewody, szyny metalowe itp.) • umieszczamy kondensatory z dala od elementów grzejących się (rezystory mocy, radiatory elementów półprzewodnikowych) D1 rd rd Uwy=U0 Zw

6. Dławik filtru wyjściowego Wybór materiału magnetycznego – zależy od: - częstotliwości pracy - dla dużych składowych zmiennych prądu (pola magnetycznego) i częstotliwości powyżej 1 kHz stosowane są materiały ferrytowe ze względu na małe straty mocy, dla niskich częstotliwości należy stosować blachy żelazokrzemowe, które mają dużo większą indukcję nasycenia Bs (można nawinąć mniej zwojów – mniejsze straty mocy w „miedzi”), najnowsze opracowania technologiczne - rdzenie amorficzne i nanokrystaliczne stosowane dla częstotliwości do 20 kHz łączą zalety rdzeni ferrytowych i żelaznych (duże Bs oraz bardzo małe straty w rdzeniu) - stosunku IDC/IAC - wymiary rdzenia, wielkość szczeliny, wielkość tzw. „okna” - własności mechanicznych – sposób mocowania, odporność na temperaturę, wstrząsy, wibracje itp. Procedura projektowania dławika 1. Określamy żądaną indukcyjność na podstawie wartości składowej zmiennej prądu L IL Io Uwe U0 Ro C

7. 2. Dobór średnicy przewodu nawojowego zakładamy zwykle gęstość prądu 2,5 < J < 5 [A/mm2] 3. Dobór wymiarów rdzenia i wielkości szczeliny w obwodzie magnetycznym B bez szczeliny ze szczeliną Bs DB B0 Sw DH H H0(I0) H1(I1) -Bs

8. Można skorzystać z wykresów Hahn’a AL.=250 AL.=800 ETD34 AL.=6600 (1) AL.=400 EE30 AL.=1000 AL.=10000 0,1 1,0 10 100 1000 NI [Azw] przyjąć wstępnie rdzeń (wymiar) przyjąć wielkość szczeliny (AL) określić maksymalną liczbę IxZ [Azw] sprawdzić, czy można dla tej liczby zwojów uzyskać żądaną wartość L - (1) jeżeli nie, to zwiększyć szczelinę (zmniejszyć AL) i wrócić do pkt. d) jeżeli tak, sprawdzić, czy uzwojenie zmieści się jeżeli nie, to zwiększyć rozmiar rdzenia i rozpocząć od pkt. a) jeżeli tak - koniec procedury

9. Dobór rdzenia na podstawie tzw. współczynnika „AP” (Area Product) charakteryzującego rdzeń o określonych wymiarach geometrycznych AP [cm4] Sw 100 10mH l 1mH 100mH 10 Se 10mH Dla podanego przykładu można dobrać rdzeń ETD34 – AP=1.185 cm4 , l = 34 mm 1,0 1mH 0,2 I0 [A] 1 2 5 10 20 50 100 Obliczenie liczby zwojów dławika przyjmujemy DI = I0+0,1I0 orazDB = Bmax (Tmax)

10. Obliczenie długości szczeliny powietrznej przenikalność magnetyczna powietrza (=1) przenikalność magnetyczna próżni (4p10-7) Wykorzystanie metody empirycznej przy obciążeniu maksymalnym zmniejszać szczelinę dławika obserwując przebieg Nawinąć na korpusie liczbę zwojów zL> zLmin przewodem o maksymalnej grubości obserwować kształt prądu w dławiku (kształt tętnień napięcia wyjściowego) dobrać szczelinę, przy której tętnienia są najmniejsze i nie występują objawy nasycenia rdzenia IL (UrC) IL (UrC) IL (UrC) szczelina optymalna

11. Straty mocy w elementach magnetycznych Straty czynne związane z rezystancja uzwojeń - tzw. „straty w miedzi” I I Imax Imin Imax t t t t T T Straty w rdzeniu magnetycznym (prądy wirowe, przemagnesowanie) Prdz [mW/cm3] 100kHz 60kHz 20kHz 10kHz 100 5kHz 10 DB [mT] 100 200 300

12. Przyrost temperatury dławika lub transformatora określenie przyrostu temperatury jest istotne ze względu na: - temperaturę Curie (nieodwracalna możliwość utraty własności magnetycznych) - dopuszczalną temperaturę materiałów izolacyjnych (normy bezpieczeństwa) - dopuszczalny przyrost temperatury wewnątrz urządzenia Korzystamy ze wzorów przybliżonych (empirycznych): SC - powierzchnia całkowita transformatora [cm2] Problem rozproszenia magnetycznego związanego ze szczeliną w dławiku (transformatorze) opaska miedziana • szczelinę należy wykonywać tylko w kolumnie środkowej • opaska magnetyczna zmniejsza pole rozproszenia (zakłóceń) ale zwiększa straty • opaska nie może stanowić zwartego zwoju!