ELEKTRONIKAUKŁADY ZASILANIA - PODSTAWY

1

PROSTOWNIKI DIODOWE

2

• Wejście: napięcie przemienne o określonej amplitudzie i częstotliwości, często napięcie sieciowe sinus, o f=50Hz i wartości RMS=230V (amplitudzie

V=230*sqrt(2)) i określonych wahaniach +-10%

• Wyjście: napięcie stałe o nieregulowanej wartości, zależnej od napięcia sieci, topologii układu i parametrów diod

• Cechy:

• Niska cena

• Niezawodność

• Brak regulacji

• Zniekształcenia prądu pobieranego z sieci

• Jednokierunkowy przepływ energii (cecha diody)

• Zastosowania: różnorodne zasilacze DC, napędy DC, inne

PROSTOWNIK DIODOWY

3

RODZAJE PROSTOWNIKÓW DIODOWYCH

• Jednopołówkowe

• Dwupołówkowe

• Trójfazowe mostkowe

4

PROSTOWNIK JEDNOPOŁÓWKOWY

• Dioda przewodzi tylko dodatnią półfalę napięcia zasilającego

• Dla dodatniego napięcia dioda jest spolaryzowana w kierunku przewodzenia

-- prąd płynie

• Dla ujemnego napięcie dioda jestspolaryzowana w kierunku zaporowym

-- prąd nie płynie

• Jeżeli diodę odwrócimy todostaniemy sytuację odwrotną

• Układ nie wymaga transformatora, ale można go użyć no do izolacji wejścia i wyjścia

• Napięcie wyjściowe zawiera:

• Składową stałą (wartość średnia niezerowa)

• Składową przemienną o częstotliwościnapięcia zasilającego

5

PROSTOWNIK JEDNOPOŁÓWKOWY

• Dodatnie lub ujemne napięcie wyjściowe

6

PROSTOWNIK DWUPOŁÓWKOWY

• Połączenie równoległe dwóch prostowników jednopulsowych

• W dodatnim cyklu napięcia wejściowego pracuje jeden prostownik, a w ujemnym drugi

• Wymaga użycia transformatora, posiadającego dwa uzwojenia wtórne

• Napięcie na obu uzwojeniach odzwierciedla napięcie wejściowe, ale tylko dodatnia część napięcia na pierwszym uzwojeniu jest przenoszona przez pierwszy

prostownik i tylko ujemna część napięcia jest przenoszona przez drugi prostownik

• Dolne uzwojenie jest odwrócone góra-dół, więc polaryzacja drugiego napięcia jest odwrócona

• Napięcie wyjściowe jest sumą napięć obu prostowników

• Częstotliwość wyjściowego przebiegu jest 2x wyższa

• Można uzyskać ujemne napięcie wyjściowe podobnie, jak w

prostowniku jednopołówkowym7

PROSTOWNIK MOSTKOWY (MOSTEK GRAETZ`A)

• Nie wymaga użycia transformatora

• Naprzemiennie pracują pary diod:

• Dodatna półfala napięcia – przewodzą D1 i D2

• Ujemna półfala napięcia – przewodzą D3 i D4

• Wytwarza napięcie dwupulsowe

8

PROSTOWNIK MOSTKOWY (MOSTEK GRAETZ`A)

9

• Dla dodatniego napięcia na wejściu (dla pierwszej półfali sinus`a) prąd przez diody popłynie w kierunku spadku napięcia.

• W pierwszym oraz drugim węźle prąd nie może płynąć przez diody w kierunku wstecznym, więc popłynie wzdłuż linii oznaczonej kolorem czerwonym, aż do

odbiornika podłączonego za mostkiem.

• Prąd powracający z odbiornika (kolor niebieski) nie może płynąć przez diody oznaczone kolorem szarym. Chociaż kierunek przepływu prądu przez diody by się

zgadzał, to na katodzie obu tych diod potencjał jest wyższy, więc diody są

spolaryzowane w kierunku zaporowym. Prąd płynie wzdłuż linii oznaczonej na

niebiesko do żródła

• Analogiczna sytuacja ma miejsce dla ujemnej polaryzacji napięcia na wejściu.

NAPIĘCIA WSTECZNE DIOD

• Diody dobiera się na maksymalne napięcie wsteczne(Vr – reverse voltage)

występujące w stanie blokowania

• Prostownik jednopołówkowy

• Dioda blokuje pełne napięcie wejściowe VD=VSOURCE

• Prostownik dwupołówkowy

• Gdy jedna dioda blokuje to druga przewodzi,blokowane napięcie jest pomniejszone o spadek

na przewodzącej diodzie - VD=VSOURCE-0,7

• Prostownik mostkowy

• Podobnie, jak w dwupołówkowym - VD=VSOURCE-0,7

• Maksymalne napięcie wsteczne jest równe amplitudzie napięcia zasilającego (ew. pomniejszonej o spadek napięcia na przewodzącej diodzie) plus odpowiedni margines

(zwykle 20-50%)

10

VS - amplituda napięcia

zasilającego

PROSTOWNIKI - PORÓWNANIE

11

FILTRACJA

13

• Wyprostowane przebiegi mają dużą zawartość składowej przemiennej –konieczne jest zastosowanie filtracji

• Powszechnie stosuje się filtry dolnoprzepustowe w postaci szeregowej cewki i/lub równoległego kondensatora

• Filtry te „wygładzają” przebieg wyprostowanego napięcia

FILTRACJA

Rectifier Filter

ttt

vv v

14

FILTR POJEMNOŚCIOWY

• Kondensator równolegledo obciążenia

• Gromadzi energięw polu elektrycznym

• Wygładza przebieg napięcia

• Dwa interwały czasowe

• C ładuje się przezdiodę do wartości

szczytowej napięcia źródła

• C rozładowuje się przezrezystancję obciążenia

• Prąd impulsowy!

15

TĘTNIENIA

• Napięcie kondensatora zawiera:

• Tętnienia

• Składową stałą

• Prostownik dwupołówkowy

• Mniejsze tętnienia, bo2 razy mniejszy czas t

pomiędzy ładowaniami

16

2

rdc pk

VV V= −

the dc load current

t the time between charging peaks

Lr

L

I tV

C

I

=

−

−

STAŁA CZASOWA

• Tętnienia zależą od prądu obciążenia (rezystancji obciążenia RL)

• Rozładowanie kondensatora następuje według stałej czasowej

• Poprawę filtracji uzyskujemy zwiększając

pojemność C (przy

stałym obciążeniu)

• Przy braku obciążeniaC ładuje się do wartości

szczytowej

17

RC =

STAŁE CZASOWE - PRZYKŁAD

• Podczas ładowania C (RD1 – zamodelowana rezystancja diody w kierunku przewodzenia)

• Kondensator ładuje się do 99% napięcia po upływie 5 stałych czasowych

• Podczas rozładowania C (analogicznie)

18

1 5 100 500loading DR C F s = = =

15 5 5 500 2.5DT R C s ms = = = =

1 100 100unload loadR C k F ms = = =

5 5 5 100 500unload load unloadT R C ms ms= = = =

PRĄD UDAROWY

• W chwili załączenia prostownika kondensator jest rozładowany

• Kondensator jest widziany jako „zwarcie”

• Prąd jest ograniczony jedynie znikomymi rezystancjami diody i uzwojeń transformatora

• Pierwszy impuls prądu może mieć znaczą wartość powodującą zadziałanie zabezpieczeń nadprądowych

• Często w obwodziedołącza się rezystor

ograniczający udar

prądowy

• Po rozruchu rezystormoże być zwarty przez

dodatkowy układ

(np. tranzystor)

19

NAPIĘCIE WSTECZNE DIODY

• Obecność filtru pojemnościowego zmienia warunki pracy diody

• Przykład prostownika jednopołówkowego

• Napięcie wsteczne ulega podwojeniu!

21

• Stosowany w urządzeniach większej mocy (>1kW)

• Mniejsze zniekształcenia prądu wejściowego

• Mniejsze tętnienia napięcia wyjściowego

MOSTEK TRÓJFAZOWY

22

PROSTOWNIKI DIODOWE -PODSUMOWANIE

• Prostowniki diodowe przetwarzają napięcie przemienne na napięcie stałe o nieregulowanej wartości

• Przepływ mocy jest jednokierunkowy

• W prostownikach o mocy do ok. kW najczęściej stosowany jest mostek jednofazowy

• Przy większych mocach preferowane są układy trójfazowe

• Prostownik diodowy charakteryzuje się dużym zniekształceniem prądu wejściowego

• Filtr pojemnościowy charakteryzuje się impulsowym poborem prądu

• Filtr indukcyjny charakteryzuje się prostokątnym poborem prądu

23

ZASILACZE STABILIZOWANE

24

ZASILACZ

• Zasilacz – urządzenie służące do dopasowania dostępnego napięcia do wymagań zasilanego urządzenia

• Najczęściej zasilacz przetwarza napięcie sieciowe (230V AC lub 110V w USA) na napięcie stałe potrzebne do zasilenia urządzeń IT/RTV/AGD i wielu innych

(najczęściej kilka-kilkanaście V DC, często wiele poziomów jednocześnie)

• Zasilacze możemy podzielić ze względu na:

• Obecność transformatora (transformatorowy/beztransformatorowy)

• Stabilizację napięcia (stabilizowany/niestabilizowany)

• Toplologię

• Tradycyjny zasilacz liniowy z transformatorem 50Hz i prostownikiem diodowym

• Zasilacz impulsowy (Switch Mode Power Supply SMPS)

25

ZASILACZ LINIOWY

• Kolejne stopnie przetwarzania:

• Transformator – dopasowanie napięcia

• Prostownik – zamiana na napięcie o jednej polaryzacji

• Filtr – wygładzenie napięcia

• Stabilizator – regulacja napięcia wyjściowego

26

TRANSFORMATOR

• Transformator w zasilaczach obniża poziom napięcia

• Transformator może mieć wiele uzwojeń wtórnych o różnych poziomach napięć

• Na rysunku schemat transformatora o budowie toroidalnej

27

FILTR

28

• Najczęściej stosowany prosty filtr pojemnościowy

• Rzadziej stosowane filtry złożone

STABILIZATOR NAPIĘCIA

• Stabilizator napięcia – układ którego zadaniem jest utrzymywanie na wyjściu stałego napięcia niezależnie od zmian

• Parametrów obciążenia

• Napięcia zasilającego

• Temperatury i czasu

• Istnieją także stabilizatory prądu

• Stabilizatory dzielimy na:

• Parametryczne – wykorzystują zmianę rezystancji regulatora (nieliniowość charakterystyki), który jest włączony równolegle do odbiornika

• Kompensacyjne – wykorzystują zmianę rezystancji regulatora, który jest sterowany w zamkniętej pętli sprzężenia zwrotnego

29

STABILIZATOR ZENERA

• Zastosowanie diody Zenera – wykorzystanie stałości napięcia przebicia

• Jest to przykład stabilizatora parametrycznego

• Konieczny rezystor szeregowy

• Ogranicza prąd diody

• Odkłada się na nim różnica napięć

• Bardzo prosty układ, ale:

• Niska sprawność

• Ograniczona moc

30

in ZT

S

V VI

R

−=

STABILIZATOR ZENERA - PRZYKŁAD

• Prąd pobierany

• Prąd obciążenia

• Prąd diody

• Moc pobierana 20V*5mA=100mW

• Moc oddawana 9.1V*910uA=8mW

• Sprawność 8% !!!

31

20 9.14.95

2.2

in ZT

S

V V V VI mA

R k

− −= = =

9.1910

10

ZL

L

V VI A

R k= = =

4.95 910 4.04Z T LI I I mA A mA= − = − =

STABILIZATORY KOMPENSACYJNE

• Stabilizator kompensacyjny składa się z:

• Regulatora/sterownika –np. tranzystor bipolarny

• Źródła napięcia odniesienia – np. dioda Zenera (tu dioda nie jest regulatorem!)

• Wzmacniacza błędu – np. wzmacniacz operacyjny (wzmacnia różnicę pomiędzy

napięciem wyjściowym i odniesienia i

wysterowuje bazę tranzystora)

• Stabilizatory kompensacyjne mogą pracować w układzie

a) Szeregowym

b) Równoległym (niższa sprawność)

32

STABILIZATORY MONOLITYCZNE

• Stabilizator monolityczny to układ scalony zawierający:

• Precyzyjne, skompensowane temperaturowo źródło napięcia odniesienia

• Precyzyjny wzmacniacz błędu

• Tranzystor regulacyjny

• Zabezpieczenia przed zwarciem i przegrzaniem

• Stabilizator jest elementem trójzaciskowym (masa, wejście, wyjście)

33

PARAMETRY STABILIZATORÓW

• Najważniejsze parametry stabilizatorów to:

• Znamionowe napięcie wyjściowe i prąd wyjściowy

• Zakres napięć wejściowych

• Sprawność

• Współczynnik stabilizacji napięcia 𝐾𝑈 =∆𝑈𝑤𝑦

∆𝑈𝑤𝑒i związana z nim

charakterystyka napięciowa Uwy=f(Uwe) przy Iwy=const

• Rezystancja wyjściowa 𝑅𝑤𝑦 =∆𝑈𝑤𝑦

∆𝐼𝑤𝑦i związana z nią

charakterystyka zewnętrzna Uwy=f(Iwy) przy Uwe=const

34

STABILIZATORY Z SERII 78XX

35

ZASILACZ STABILIZOWANY

• Na wejściu układu sinus o URMS-PRI=110V, więc amplituda UA-PRI=URMS*sqrt(2)=155.6V

• Transformator o przekładni 1:8.7. Na jego wyjściu napięcie sinus o URMS-SEC= URMS-PRI /8.7=12.6V, więc amplituda UA-SEC=URMS-SEC*sqrt(2)=17.8V

• Napięcie za prostownikiem o wartości maksymalnej równej napięciu szczytowemu za transformatorem, pomniejszonemu o spadek napięcia na dwóch diodach UC1= UA-SEC -

2*0.7V=16.4V

• Filtracja napięcia na kondensatorze C1, napięcie pulsuje, ale utrzymuje mniejwięcej stały poziom, gdzieś w okolicy poniżej 16.4V

• Regulator 7805 stabilizuje napięcie na wyjściu do wartości 5V

36

ZASILACZ STABILIZOWANY

• Regulator 7805 stabilizuje napięcie na wyjściu do wartości 5V• Moc pobierana przez odbiornik wynika z prądu pobieranego przez ten odbiornik.

Pracując przy napięciu UOUT=5V i pobierając np. I=10mA prądu, odbiornik pobiera

PLOAD=UOUT*I=50mW mocy

• Moc tracona w samym regulatorze również wynika z prądu pobieranego przez odbiornik. Dla prądu I pobieranego przez 5-cio woltowy odbiornik, strata mocy w

regulatorze (po to aby doregulować napięcie wyjściowe do 5V) wynosi PLOSS=(UIN-

UOUT)*I=(16.4V-5V)*10mA=114mW

• Sprawność samego regulatora wynosi w tym wypadku n=50/(50+114)=30%

• Do tego należy uwzględnić straty w transformatorze i straty w prostowniku !

37

ZASILACZ STABILIZOWANY

• Niektóre stabilizatory (np. LM 317) mają możliwość regulacji napięcia wyjściowego zewnętrznym potencjometrem

38

ZASILANIE SYMETRYCZNE

• Niektóre układy wymagają zasilania symetrycznego

• np. wzmacniacz operacyjny o zasilaniu ±15V (jednocześnie +15V oraz -15V)

• Praktyczna realizacja to np.:

• Kaskadowe połączenie prostowników jednopołówkowych o dodatnim i ujemnym napięciu wyjściowym

• Zastosowanie dwóch stabilizatorów

• Seria 78xx dla napięcia dodatniego

• Seria 79xx dla napięcia ujemnego

39

STABILIZATORY LINIOWE I IMPULSOWE

• Stabilizatory parametryczne oraz kompensacyjne zaliczamy do grupy stabilizatorów liniowych

• Charekteryzuje je niska sprawność – problemy z chłodzeniem, ograniczenie zastosowania do układów małej mocy

• Wyższą sprawność można uzyskać stosując stabilizatory impulsowe –są to przekształtniki DC-DC (następny wykład)

• Charakteryzują się wysoką sprawnością – nadają się do zastosowań większej mocy oraz tam, gdzie występuje duża różnica napięć

• Mogą zawierać w swej strukturze transformator – zapewniają izolację galwaniczną pomiędzy źródłem a odbiornikiem

• Mogą być źródłem zakłóceń

40

DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ

41