Elektroniczne Układy i Elektroniczne Układy i Systemy ZasilaniaSystemy Zasilania

Politechnika Śląska w GliwicachPolitechnika Śląska w GliwicachWydział Automatyki, Elektroniki i InformatykiWydział Automatyki, Elektroniki i Informatyki

dr inż. Ryszard Siurekdr inż. Ryszard Siurek

Wykład 2Wykład 2

Układy sygnalizacji stanu pracy zasilacza Układy sygnalizacji stanu pracy zasilacza

Sygnalizacja optyczna (najczęściej diody LED)Sygnalizacja optyczna (najczęściej diody LED)

- kolor zielony - kolor zielony - - poprawna pracapoprawna praca

- kolor czerwony- kolor czerwony -- awaria (zadziałanie zabezpieczeń)awaria (zadziałanie zabezpieczeń)

- kolor żółty- kolor żółty -- ostrzeżenie (np. zanik napięcia ostrzeżenie (np. zanik napięcia sieciowegosieciowego i praca z baterii)i praca z baterii)

Sygnalizacja stykowa (przekaźnik)Sygnalizacja stykowa (przekaźnik)

- styki zwarte- styki zwarte -- poprawna pracapoprawna praca

- styki rozwarte- styki rozwarte -- awaria zasilaniaawaria zasilania Sygnał Zaniku Napięcia Zasilania (ang. „Power Fail Signal” lub „PF”)Sygnał Zaniku Napięcia Zasilania (ang. „Power Fail Signal” lub „PF”)

UUwywy

PFPF

tt

tt

tt

UUt t >> 1ms 1ms

U U << 5%Uo 5%Uo

„„1”1”

„„0”0”

Sygnał gotowości (ang. Power Good)Sygnał gotowości (ang. Power Good)

UUUUwywy

tt

tt

PGPG

U U << 5%Uo 5%Uo

„„0”0”

„„1”1”

Czas podtrzymania napięcia wyjściowegoCzas podtrzymania napięcia wyjściowego

95% Uo95% Uo

UwyUwyUoUo

UweUwe

tptp

tp – czas podtrzymania (ang. hold-up time)tp – czas podtrzymania (ang. hold-up time) do kilkudziesięciu msdo kilkudziesięciu ms

tt

tt

ZabezpieczeniaZabezpieczenia zasilaczyzasilaczy

Zabezpieczenia przeciążenioweZabezpieczenia przeciążeniowe

1. Stabilizacja prądu obciążenia1. Stabilizacja prądu obciążenia

U

I

o

o I Inom max=

U

I

wy

wyIzw

2. Ograniczenie prądu2. Ograniczenie prądu

U

I

o

o I I nom max =

U

I

wy

wy I zw

charakterystyka U=f(I) obciazenia U<U o

punkt pracy w warunkach normalnych

hipotetyczny punkt pracy

Obciążenie rezystancyjneObciążenie rezystancyjne

3. Zabezpieczenie wyłączające

4. Zabezpieczenie termiczne

Zabezpieczenie nadnapięcioweZabezpieczenie nadnapięciowe

UwyUwy

UoUo

UwyUwymaxmax

tt

Wył.Wył.UKUK

UKUK - układ kontroli napięcia - układ kontroli napięcia

UwyUwy

wyłączenie zasilaczawyłączenie zasilacza

wyłączeniewyłączenie

stabilizacjastabilizacja

UwyUwySZ1SZ1

SZ2SZ2

SZ – pętla sprzężenia SZ – pętla sprzężenia zwrotnego (do stabilizacji)zwrotnego (do stabilizacji)

UwyUwy

Przykładowa realizacjaPrzykładowa realizacja

ang. crowbar - aktywizuje ang. crowbar - aktywizuje zabezpieczenie przeciążeniowezabezpieczenie przeciążeniowe

Kompensacja spadków napięć na przewodach wyjściowychKompensacja spadków napięć na przewodach wyjściowych

Ro

rs

rs+S

-S

UoUs

Us

Uo

Io

Is = 0

ZASILACZ

U1

Stabilizowane jest napięcie pomiędzy zaciskami +S i -SStabilizowane jest napięcie pomiędzy zaciskami +S i -S

U1 = Uo + 2Us

Współpraca równoległa zasilaczyWspółpraca równoległa zasilaczy

Zwiększenie prądu obciążeniaZwiększenie prądu obciążenia

Zasilacz 1Zasilacz 1

Zasilacz 2Zasilacz 2

II11

II22UoUo

Uo1Uo1

Uo2Uo2

Uo1 = Uo2Uo1 = Uo2~~

IoIo

IoIo

II1max1max

I1, I2I1, I2

II1max1max

II11 II22

2I2I1max1max

zasilacz 1zasilacz 1 obciążenie 100%obciążenie 100%

II1max = 1max = II2max2max

Układ z nierównomiernym podziałem prądu obciążeniaUkład z nierównomiernym podziałem prądu obciążenia

Wymagane zabezpieczenie przeciążeniowe ze stabilizacją prąduWymagane zabezpieczenie przeciążeniowe ze stabilizacją prądu

Zasilacz 1Zasilacz 1

Zasilacz 2Zasilacz 2

II11

II22 UoUo

Uo1Uo1

Uo2Uo2

Uo1 > Uo2 (niewielka różnica)Uo1 > Uo2 (niewielka różnica)

IoIo

IoIo

II1max1max

I1, I2I1, I2

II1max1max

II11 II22

2I2I1max1max

II1max = 1max = II2max2max

Układ z równomiernym podziałem prądu obciążeniaUkład z równomiernym podziałem prądu obciążenia

CSCS

CSCS

CS - ang. current shareCS - ang. current share podział prądupodział prądu

Zasilacz 1 wymusza zmiany U2 tak, aby Zasilacz 1 wymusza zmiany U2 tak, aby prąd I2 był zbliżony do I1prąd I2 był zbliżony do I1

DodatkoweDodatkowepołączeniepołączenie

Zapewnienie redundancji (rezerwacji napięcia)Zapewnienie redundancji (rezerwacji napięcia)

Zasilacz 1Zasilacz 1

Zasilacz 2Zasilacz 2

II11

II22UoUo

Uo1Uo1

Uo2Uo2

Uo1 = Uo2Uo1 = Uo2~~

IoIo

IIoo << II1max, 1max, II2max2max

II1max1max = = II2max2max

D1D1

D2D2

Uwe1Uwe1

Uwe2Uwe2

Redundancja 1 + 1Redundancja 1 + 1

Redundancja n + x

- „n” modułów koniecznych do zapewnienia prądu obciążenia

- „x” modułów może jednocześnie ulec uszkodzeniu - „x” modułów może jednocześnie ulec uszkodzeniu

Najważniejsze parametry dotyczące zasilacza od Najważniejsze parametry dotyczące zasilacza od strony napięcia wejściowegostrony napięcia wejściowego

Zakres napięcia zasilającego (np. 230V +10%,-15% lub 150V – 260V)Zakres napięcia zasilającego (np. 230V +10%,-15% lub 150V – 260V) Rodzaj napięcia zasilania (jednofazowe, trójfazowe, zmienne, stałe lub Rodzaj napięcia zasilania (jednofazowe, trójfazowe, zmienne, stałe lub

jedno i drugie)jedno i drugie) Częstotliwość napięcia zasilania (np. 40Hz – 60Hz lub 40Hz – 400Hz)Częstotliwość napięcia zasilania (np. 40Hz – 60Hz lub 40Hz – 400Hz) maksymalna wartość skutecznej wartości prądu zasilania (dla najgor-maksymalna wartość skutecznej wartości prądu zasilania (dla najgor-

szego przypadku)szego przypadku) Prąd udarowy (przy załączaniu) – np. 30A (typowo)Prąd udarowy (przy załączaniu) – np. 30A (typowo)

IuIu

ttUwe

Iwe

Emisja zakłóceń elektromagnetycznychEmisja zakłóceń elektromagnetycznych

ZASILACZ

Prądy i napięcia zakłóceń przewodzonych

(pomiar w zakresie od 0,15 MHz do 30 MHz)

Przewody zasilające

Pole elektromagnetyczne zakłóceń

(pomiar w zakresie od 30 MHz do 1 Ghz)

Zakłócenia radioelektryczne (ang. EMI)Zakłócenia radioelektryczne (ang. EMI) Zakłócenia przewodzone Zakłócenia przewodzone

- pomiar napięcia zakłóceń na rezystancji 50- pomiar napięcia zakłóceń na rezystancji 50 w znormaliz- w znormaliz-

owanym układzie pomiarowym tzw. „sztucznej sieci” owanym układzie pomiarowym tzw. „sztucznej sieci”

- zakres częstotliwości: 150kHz - 30 MHz- zakres częstotliwości: 150kHz - 30 MHz

- jednostka: dB- jednostka: dB Zp = 20log [dBZp = 20log [dB] Zp - poziom zakłóceń ] Zp - poziom zakłóceń

przewodzonychprzewodzonych

Zakłócenia emitowaneZakłócenia emitowane

- pomiar natężenia pola elektromagnetycznego w powietrzu- pomiar natężenia pola elektromagnetycznego w powietrzu

- zakres częstotliwości: 30MHz - 1GHz- zakres częstotliwości: 30MHz - 1GHz

- jednostka: dB- jednostka: dBV/mV/m

Ze = 20log [dBZe = 20log [dBV/m) Ze – poziom zakłóceń emitowanychV/m) Ze – poziom zakłóceń emitowanych

Poziomy określają normy, np.:Poziomy określają normy, np.:

PN-EN55022 – Dopuszczalne poziomy i metody pomiaru zaburzeń PN-EN55022 – Dopuszczalne poziomy i metody pomiaru zaburzeń radioelektrycznych wytwarzanych przez urządzenia informatyczneradioelektrycznych wytwarzanych przez urządzenia informatyczne

UzUz11VV

EzEz11V/mV/m

ZasilaczZasilacz RoRoUweUwe

SztucznaSztuczna

sieć sieć

Miliwoltomierz selektywnyMiliwoltomierz selektywnyPomiar w zakresie 0,15 – 30MHZPomiar w zakresie 0,15 – 30MHZ

Iz

Ez

Analizator widma natężenia Analizator widma natężenia pola elektromagnetycznego w pola elektromagnetycznego w

paśmie 30MHz – 1GHzpaśmie 30MHz – 1GHz

Kabina ekranowanaKabina ekranowana

Układ pomiarowyUkład pomiarowy

Przykładowy protokół z pomiarówPrzykładowy protokół z pomiarów

Współczynnik mocy i jego korekcjaWspółczynnik mocy i jego korekcja

„„moc całkowita”moc całkowita”moc pozornamoc pozornaS [VA] = I ZS [VA] = I Z

22moc biernamoc bierna

Q [var] = I (X - X )Q [var] = I (X - X )22

LL CC

moc czynnamoc czynnaP [W] = I RP [W] = I R22

PF = cos PF = cos

Uwe, IweUwe, Iwe

tt

ttf = 1/Tf = 1/T

= 2= 2fftt

TT

Zależności obowiązujące dla przebiegów sinusoidalnychZależności obowiązujące dla przebiegów sinusoidalnych

Współczynnik mocyWspółczynnik mocy

UUII

U

I1Uwe, IweUwe, Iwe

tt

moc całkowita (pozorna) S = Imoc całkowita (pozorna) S = I11sksk U U

UUII22

Uwe, IweUwe, Iwe

tt

P (moc rzeczywista)P (moc rzeczywista)

PF =PF = S S

PP

moc całkowita S = Imoc całkowita S = I2sk2sk U = P U = P

== II1sk1skI2skI2sk

PF < 1 (0,6 – 0,75)PF < 1 (0,6 – 0,75)

I-sza harmoniczna I-sza harmoniczna II11(1)(1)

t (t ())

Ks =Ks = II11(1)sk(1)skII11sksk

Współczynnik kształtuWspółczynnik kształtu

PF = Ks cosPF = Ks cos

Zniekształcony przebieg prądu powoduje:Zniekształcony przebieg prądu powoduje:

-wzrost mocy pozornej (a więc i prądu pobieranego z sieci energetycznej)wzrost mocy pozornej (a więc i prądu pobieranego z sieci energetycznej)

-wzrost zawartości harmonicznych prądu w przewodach zasilania co wzrost zawartości harmonicznych prądu w przewodach zasilania co prowadzi do odkształceń sinusoidalnego napięcia sieciowegoprowadzi do odkształceń sinusoidalnego napięcia sieciowego

-wzrostu prądu płynącego w przewodach zerowych sieci wielofazowychwzrostu prądu płynącego w przewodach zerowych sieci wielofazowych

Od 2001 roku obowiązują przepisy ograniczające zawartość Od 2001 roku obowiązują przepisy ograniczające zawartość harmonicznych w prądzie zasilającym urzadzenia elektryczne i harmonicznych w prądzie zasilającym urzadzenia elektryczne i elektroniczne o mocy wyjściowej od 75W – 1000W.elektroniczne o mocy wyjściowej od 75W – 1000W.

Dokument obowiązujący: Dokument obowiązujący:

PN-EN 61000-3-2 PN-EN 61000-3-2 Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC) –Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC) – Dopuszczalne poziomyDopuszczalne poziomy emisji harmonicznych prądu (fazowy prąd zasilania odbiornika mniej-emisji harmonicznych prądu (fazowy prąd zasilania odbiornika mniej-

szy lub równy 16A) szy lub równy 16A)

W zasilaczach stosuje się układy poprawiające kształt prądu – W zasilaczach stosuje się układy poprawiające kształt prądu –

Aktywna Korekcja Współczynnika Mocy (ang. PFC)Aktywna Korekcja Współczynnika Mocy (ang. PFC)

Odporność na zaburzenia zewnętrzne Odporność na zaburzenia zewnętrzne o charakterze elektromagnetycznymo charakterze elektromagnetycznym

ZASILACZ

Wyładowania elektrostatyczne

Zewnętrzne pola

elektromagne-tyczne

Szybkie elektryczne stany przejściowe (ang. BURST)

(amplituda do 4 kV)

Wyładowania atmosferyczne

Systemy zasilaniaSystemy zasilania

~~U1

U2

Un

Moduł zasilany nr1

Moduł zasilany nr2

Moduł zasilany nr k

Uz

Baterie lub akumulatory

Centralny blokCentralny blok

zasilaczazasilacza

Scentralizowany system zasilaniaScentralizowany system zasilania

- bezpieczeństwo- bezpieczeństwo

- funkcjonalność- funkcjonalność

- niezawodność- niezawodność

- koszt- koszt

Moduł zasilany nr 1

Moduł zasilany nr 2

Moduł zasilany nr 3

Moduł zasilany nr 4

Moduł zasilany nr 5

Moduł zasilany nr k

Moduł zasilany nr k+1

Zasilacz 1

Zasilacz 2

Zasilacz N

~~

~~

~~

U1

U2

U3

Un

~~~~

Baterie lubakumulatory

Uz Uz’

UPSUPS

Wielokrotny scentralizowany system zasilaniaWielokrotny scentralizowany system zasilania

- bezpieczeństwo- bezpieczeństwo

- funkcjonalność- funkcjonalność

- niezawodność- niezawodność

- koszt- koszt

Moduł zasilany 1

12V - 24V

Przetwornica małej mocy DC-DC

U1i

U2i

Przetwornica małej mocy DC-DC

Stabilizator impulsowyz dodatkowymi napięciami wyjściowymi

Moduł zasilany „n”

U1n

U2n

U3n

Moduł zasilany „i”~~220V

50Hz

12V - 24V nap. stałe

Niskonapięciowy zdecentralizowany system zasilaniaNiskonapięciowy zdecentralizowany system zasilania

(wysokonapięciowy zdecentralizowany system zasilania)(wysokonapięciowy zdecentralizowany system zasilania)

- bezpieczeństwo- bezpieczeństwo

- funkcjonalność- funkcjonalność

- niezawodność- niezawodność

- koszt- koszt