Introducere in alimentarea cu energie a echipamentelor electronice

Introducere in alimentarea cu energie a echipamentelor electronice

Curs de Electronica Aplicata

1

Bibliografie

2

Jerry C. Whitaker, The Electronics Handbook, CRC Press, 1996. Dorin Petreus, Electronica Surselor de Alimentare, Editura MEDIAMIRA,Cluj-Napoca, 2002. N. Palaghi, D. Petreu, C. Frca, Electronic de comand i reglaj, Ed.Mediamira, Cluj-Napoca, 2006. Dorin Petreus, Lungu Serban, Surse in Comutatie, Ed.Mediamira, ClujNapoca, 1999. Cristian Farcas, Dorin Petreus, Niculaie Palaghita, Imbunatatirea Factoruluide Putere in Sistemele Moderne de Alimentare, Cluj-Napoca, 2003. V. Popescu, D. Lascu, D. Negoiescu, Surse de alimentare intelecomunicaii, Ed. De Vest, 2002. Serban Lungu, Ovidiu Pop, Modelarea circuitelor electronice, Casa Cartiide Stiinte, Cluj Napoca, 2006.

1: Introducere2: Redresoare monofazate3: Regulatoare liniare4: Surse in comutatie5: Convertoare rezonante6: Factorul de putere

3

1.Introducere

4

Cele mai importante din cerintelele care influenteaza alegerea tehnologieipentru proiectare sunt:

1. Costul.2. Spatiu si forma.3. Ce cantitate de caldura poate fi generata.4. Tensiunea de la intrare.5. Zgomotul care poate fi acceptat de circuitul de sarcina.6. Durata de viata a bateriei (daca produsul trebuie sa fie portabil).7. Numarul de iesiri in tensiune a sursei.

1.Introducere

5

Transformatorul - are rolul de a separa de retea aparatul electronic. In acelasi timpacesta modifica tensiunea retelei la valoarea necesara pentru a obtine o anumitatensiune continua.Redresorul - circuit cu elemente neliniare capabil sa transforme tensiuneaalternativa intr-un semnal cu componenta continua diferita de zero.Filtru - are rolul de a atenua ondulatiile. Tensiunea de la iesirea filtrului estedependenta de Ui, de sarcina si de temperatura.Stabilizatorul - are rolul de a face ca tensiunea de la iesirea sursei stabilizate sa fieindependenta de acesti factori si sa se apropie cat mai mult de o tensiune continua.

Traf. Redresor Filtru Stabilizator Sarcina

1.Introducere

6

Din dorinta de a mentine valoarea tensiunii de iesire la o valoare constantamajoritatea surselor de alimentare au in componenta lor un sistem de control in buclainchisa.

Controller Actuator Process

Transducer

r(t) +-

yM(t)

(t) u(t) m(t) y(t)

Circuitul principal esteun amplificator operationalnumit si amplificator de eroare.Rolul acestuia este de acompara diferenta dintre otensiune de referinta, foartestabila, si tensiunea de iesire.

7Traf. Redresor Filtru Stabilizator Sarcina

Redresoare monofazate - monoalternanta

Redresoare monofazate dubla alternanta

- Cu priza mediana- In punte

2.Redresoare monofazate - monoalternanta

8

Acest circuit este un circuit cu rezultate slabe de redresare avand un randament de sub 40%, si un factor de ondulatie mult prea mare, 1.57.

2.Redresoare monofazate dubla alternanta

9

Acest circuit este un circuit cu rezultate mai bune de redresare avand un randament de pana la 80%, si un factor de ondulatie sub 1, 0.67.

Udmax = 2Ui

2.Redresoare monofazate dubla alternanta

10

Acest circuit este un circuit cu rezultate mai bune de redresare avand un randament de pana la 80%, si un factor de ondulatie sub 1, 0.67.

Udmax = Ui

11

Traf. Redresor Filtru Stabilizator Sarcina

Regulatoare liniare - regulatoare cu sunt,- regulatoare serie.

Surse in comutatie - convertoare fara izolare galvanica:- convertorul Buck;- convertorul Buck-Boost.- convertorul Boost;

- convertoare cu izolare galvanica:- convertorul Flyback;- convertorul Forward;- convertorul Push-Pool.

Convertoare Rezonante - Comutatia la curent zero- Comutatia la tensiune zero

3.Regulatoare liniare

12

Regulatoarele liniare se folosesc de obicei in circuitele care au ca referintapamantul sau pinul de masa, unde generarea de caldura si eficienta scazuta nu suntasa de importante si unde, de asemenea, costul scazut si timpul de proiectare scurtsunt dorite. Sunt foarte utilizate in circuitele de stabilizare a tensiunilor, undetensiunea de intrare este mai mica de 40 Vcc. Aceste circuite pot produce doar otensiune mai mica la iesire decat cea de la intrare si pot avea doar o singura iesire.Au o eficienta medie cuprinsa intre 35 si 50 %. Pierderile sunt disipate prin caldura.

Acestea functioneaza pe principiul modificarii conductivitatii unui elementactiv de circuit in vederea reducerii variatiei unei tensiuni de intrare trasformand-ointr-o tensiune stabilizata. Transforma o parte importanta de putere in caldura si dinpunct de vedere electric sunt foarte putin zgomotoase.

Se folosesc in aplicatii care nu au nevoie de mai mult de 10W. Pesteaceasta valoare caldura degajata va fi prea mare, pierderile crescand si facandastfel mai atractive sursele in comutatie.

- regulatoare cu sunt,- regulatoare serie.

3.Regulatoare liniare cu sunt

13

Regulatoarele cu sunt sunt regulatoarele de tensiune care sunt plasate inparalel cu sarcina. Un exemplu comun este stabilizatorul parametric, dioda Zenerfunctionand pe principiul ca la variatii mari ale curentului corespund variatii mici aletensiunii.

Parametrii principali in evaluarea performantelor stabilizatoarelor sunt:

- coeficientul de stabilitate;

- rezistenta de iesire.

3.Regulatoare liniare cu sunt

14

Intreaga tensiune de iesire se compara cu tensiunea de referinta directpe baza tranzistorului regulator. Tensiunea de iesire este in faza cu tensiunea deintrare astfel ca daca aceasta creste, creste curentul prin tranzistorul regulator sideci tensiunea pe rezistenta R creste, preluand variatia tensiunii de iesire.

3.Regulatoare liniare serie

15

Regulatorul cu sunt este cel mai des folosit in stabilizari locale unde putereaeste de sub 200mW. Resistenta are rolul de a limita curentul prin sarcina si dioda.Tensiunea zener va fluctua odata cu temperatura.

Prin introducerea unui transistor, avem avantajul amplificarii acestuia.Aceasta amplificare face posibil marirea disponibilitatii in curent a circuitului. In acestcaz tranzistorul functioneaza ca un amplificator de eroare.

Intreaga tensiune de iesire se compara cu tensiunea de referinta data dedioda zener. Variatia tensiunii BE a tranzistorului este in antifaza cu variatia tensiuniide iesire. Atunci cand Vout creste, va creste tensiunea pe tranzistorul regulator careva prelua cresterea tensiunii de intrare.

3.Regulatoare liniare serie cu amplificator de eroare

16

Functionarea acestui stabilizator este putin mai complexa. In momentul in care Uscreste, tensiunea pe R2 creste, va creste tensiunea Ube, tranzistorul T sedeschide mai mult, curentul prin colectorul lui T va creste, va scadea curentul prinbaza tranzistorului T, va scadea curentul ce colector prin T si astfel se realizeazacompensarea cresterii tensiunii de iesire. Se observa faptul ca, tensiunea de iesirese aplica diagonalei unei punti (R1, R2, R3, D) din cealalta diagonala culegandu-setensiunea de intrare a amplificatorului de eroare Ube.

Amplificatorul de eroare estefolosit pentru imbunatatirea eficacitatiibuclei de reactie. Se vor imbunatatiiconsiderabil caracteristica de stabilitate,precum si rezistenta de iesire.

4.Surse in comutatie

17

Exista doua mari categorii de surse in comutatie:- convertoare fara izolare galvanica:

- convertorul Buck;- convertorul Buck-Boost.- convertorul Boost;

- convertoare cu izolare galvanica:- convertorul Flyback;- convertorul Forward;- convertorul Push-Pool.

4.Surse in comutatie Convertorul Buck

18


19

In functie de valoarea curentului prinbobina avem functionare in conductieintrerupta, atunci cand valoarea curentuluiprin bobina atinge valoarea zero, sifunctionare in conductie neintrerupta.

- pe durata conductiei tranzistorului

- pe durata cat tranzistorul este blocat

Tinand seama ca in regim stationar valoarea medie a tensiunii pe bobina este nula rezulta:

T - ON dioda D este blocata, potentialulin catod fiind mai mare decat in anodintreaga tensiune fiind aplicata filtrului LC.In bobina se acumuleaza energie.Curentul prin sarcina este suportat decurentul prin tranzistor.T OFF datorita efectului deautoinductie, polaritatea pe bobina seinverseaza avand ca rezultat deblocareadiodei. Curentul prin sarcina este suportatde curentul prin condensator.


20

RTD

LC+

-

U UT L

Uo

IT

ID

IL

IC

IR

UDUI

R1

R2

R3

C1+

-R4C2

+

-

OSC

Q S

RVref

compens

transducer

PWM control

loadinput

V(t)=f(d,I,Ui)

d(t)

i(t)Ui(t)

Vc(t)Ve(t)Vref(t)V(t)

Traductorul este inclus n blocul decompensare fiind reprezentat print-unsimplu divizor rezistiv. In configuraiaacestei bucle de control se poateobserva faptul c blocul traductorului,blocul controlerului i blocul decompensare sunt incluse n acelaibloc.


21

A B

C

B

CVmax

Vc,Vosc

Vd

Ts 2Ts 3Ts

t

t

+

-

R1 R2

R3

R4

C1 C2

Vref

V(t)

Vc(t) +

-Vc(t)

Vd(t)OSCVosc(t)

4.Surse in comutatie Convertorul Buck-Boost

22

4.Surse in comutatie Convertorul Buck-Boost

23




T - ON dioda D este blocata,potentialul in catod fiind mai maredecat in anod intreaga tensiune dela intrare fiind acumulata in L.Curentul prin sarcina este suportatde curentul prin condensator.T OFF datorita efectului deautoinductie, polaritatea pe bobinase inverseaza avand ca rezultatdeblocarea diodei. Curentul prinsarcina si cel de incarcare alcondensatorului este suportat decurentul prin bobina.

4.Surse in comutatie Convertorul Boost

24

4.Surse in comutatie Convertorul Boost

25




T - ON dioda D este blocata,potentialul in catod fiind mai maredecat in anod intreaga tensiune dela intrare fiind acumulata in L.Curentul prin sarcina este suportatde curentul prin condensator.T OFF datorita efectului deautoinductie, polaritatea pe bobinase inverseaza avand ca rezultatdeblocarea diodei. Curentul prinsarcina si cel de incarcare alcondensatorului este suportat decurentul prin bobina.

4.Surse in comutatie Convertorul Flyback

26

T - ON dioda D este blocata, intreaga energie fiindstocata in primarul transformatorului. Curentul prinsarcina este suportat de curentul prin condensator.T OFF tensiunea pe infasurarile transformatoruluise inverseaza, dioda incepe sa conduca, iar energiaacumulata in transformator este transmisa catre iesire.Curentul prin sarcina si cel de incarcare alcondensatorului este suportat de curentul prin dioda.

4.Surse in comutatie Convertorul Forward

27

T - ON dioda D1 fiind polarizata direct este de asemenea inconductie, energia absorbita din sursa de intrare fiind transmisamai departe catre sarcina.T OFF tensiunea pe infasurarile transformatorului seinverseaza, dioda D1 se blocheaza si ea. Pe baza energieiacumulate in bobina L, aceasta i-si inverseaza polaritateaducand la deschiderea diodei D2.

4.Surse in comutatie Convertorul Push-Poll

28

Convertorul in contratimp este prevazut cu doua comutatoare carefunctioneaza in antifaza:

T1-ON, T2-OFF dioda D1 conduce, si dioda D2 blocata;T1-OFF, T2-ON dioda D1 blocata si dioda D2 conduce.

Rolul diodelor D1, D2 este acela de a redresa tensiunea din secundarultransformatorului. Pe durata cat ambele tranzistoare sunt blocate, secundarultransformatorului este scurcircuitat de diodele care ambele sunt in conductie dincauza energiei din bobina L.

4.Surse in comutatie Convertorul Push-Poll

29

4.Surse in comutatie

30

Putere Vin Separare Eficienta(W) (DC) In/Out %

Buck 01000 540 NU 78BuckBoost 0150 540 NU 80Boost 0150 540 NU 80Flyback 0150 5500 DA 78Forward 0150 5500 DA 80PushPull 1001000 501000 DA 75Halfbridge 100500 501000 DA 75Fullbridge 4002000+ 501000 DA 73

5.Convertoare Rezonante

31

Convertoarele rezonante se bazeaz pe comutaia cu elemente carenmagazineaz energie si care permit comutri la tensiune i curent zero. Obobin n serie cu elementul de comutaie permite comutaii la curent zero, iar ocapacitate n paralel cu elementul de comutaie permite comutaie la tensiunezero. Aceste convertoare sunt derivate din convertoarele de putere in comutatie sisunt realizate pentru aplicatii unde reducerea greutatii si a marimii sunt necesarepe langa cea a emisiei de zgomot. Aceste circuite se utilizeaza in aviatie, inelectronica spatiala si in echipamentele portabile. Dezavantajul acestor circuiteeste costul si timpul de proiectare mult mai mare.

SAU

- Comutatia la curent zero

- Comutatia la tensiune zero

RT

DL

C+-

U UT L

Uo

IT

ID

IL

IC

IR

UDUI

CrLr

RT

DL

C+-

U UT L

UoID

IL

IC

IR

UDUI

Cr

Lr

5.Convertoare Rezonante Comutatia la curent zero

32

RT

DL

C+-

U UT L

Uo

IT

ID

IL

IC

IR

UDUI

CrLr D+

-

UICr

Lr Io

S

Intervalul de timp [0, t1]+

-

ILrII

IDUI Lr Io

Intervalul de timp [t1, t2]+

-

UICr

Lr Io

ILrII

UCrICr

Intervalul de timp [t2, t3]+

-

UICr

Lr IoUCr

ICr

S

Intervalul de timp [t3,T]+

-

IDUI Lr Io

S


33

Intervalul de timp [0, t1]

Intervalul de timp [t1, t2]


Intervalul de timp [t3,T]

Ca urmare a anulrii curentului care circul prin inductana Lr i comutatorul comandat S, la momentul de timp t = t2, comutatorul comandat S trece n regim de blocare, chiar dac acesta este comandat n continuare s conduc.

La momentul de timp t = t3, tensiunea de la bornele condensatorului Cr, i respectiv tensiunea invers de la bornele diodei D, devine egala cu 0 i n consecin, dioda D intr n regim de conducie.

La momentul de timp t = t1, dioda D se blocheaz, iar comutatorul comandat S rmne n continuare n stare de conducie. Blocarea diodei D determin ca tensiunea de la bornele condensatorului Cr s nu mai fie forat la o valoare constant, egal cu 0, i ca urmare, condensatorul Cr poate contribui la tendina de cretere a curentului care circul prin inductana Lr peste valoarea I0 a sursei de curent de la ieirea circuitului echivalent. Ca urmare, curenii prin inductana Lr, iLr, i respectiv prin comutatorul comandat S, iS, pe durata intervalului de timp [t1, t2], sunt egal cu I0 + iCr.

La momentul de timp t = 0 comutatorul comandat S este trecut din starea de blocare n starea de conducie, i n consecin, o parte din curentul sursei de curent Io va ncepe s circule i prin inductana Lr i prin comutatorul comutat S. Ca urmare a faptului c iLr(0) = 0, dioda D este i ea n stare de conducie, pentru a asigura circulaia restului din curentul de ieire, I0.


34

0 5 10 15 20 25 300

2

4

6

8Circuit rezonant serie ZCS

t1 t2 t3

c

u

r

e

n

t

[

A

]

0 5 10 15 20 25 30-100

0

100

200

t1 t2 t3

timp [ us ]

t

e

n

s

i

u

n

e

[

V

]

5.Convertoare Rezonante Comutatia la tensiune zero

35





RT

DL

C+-

U UT L

UoID

IL

IC

IR

UDUI

Cr

Lr

D+-

UI

Cr

LrIoS

+

-

UI

Cr

LrIoS

IIICr ILr

+

-

UI

Cr

LrIoS

IIICr ILr

ID

UCr

+

-

ILrII

IDUI Lr Io

+

-

UILr

Io

II ILr


36





La momentul de timp t = 0 comutatorul comandat S este trecut n starea de blocare i n consecint, curentul prin el se anuleaz. Tensiunea la bornele condensatorului Cr este initial egal cu 0, ca urmare a strii de conducie a comutatorului anterior momentului de timp t = 0. n aceste condiii, curentul care trece prin inductana Lr va circula i prin condensatorul Cr, determinnd ncrcarea acestuia. Trecerea conduciei curentului iLr de pe comutatorul comandat S pe condensatorul Cr nu modific tensiunea din catodul diodei D i n consecin, aceasta rmne n continuare bloacat ca i nainte de momentul de timp t=0.

La momentul de timp t = t1 dioda D se deschide, iar comutatorul comandat S rmne n continuare n starea de blocare. Intrarea n conducie a diodei D determin ca o parte din curentul sursei de curent I s circule i prin dioda D i ca urmare, curenii care circul prin inductana Lr, iLr, i respectiv prin Cr, iCr, sunt egali cu diferena dintre curentul de ieire i curentul prin dioda D: iLr = iCr = IO-iD.Condensatorul Cr i inductana Lr formeaz un circuit rezonant serie alimentat de sursa de tensiune E i respectiv sursa de curent I.

Ca urmare a faptului c tensiunea de la bornele comutatorului comandat S, uS, devine egala cu 0 la momentul de timp t3, acesta poate fi adus (si este adus) n starea de conducie ncepnd cu acest moment de timp, chiar dac semnalul de comand este anterior momentului respectiv. Pe acelai interval de timp, dioda D rmne n continuare n conducie, asigurnd circulaia unei pri a curentului sursei de curent I.

La momentul de timp t = t4, curentul care circul prin dioda D se anuleaz i ca urmare, dioda se blocheaz, iar comutatorul comandat S rmne n continuare n regim de conducie.


37

0 5 10 15 20 25 30 35 40-5

0

5

10ZVS Commutation with half wave commutation element

c

u

r

r

e

n

t

,

[

A

]

0 5 10 15 20 25 30 35 400

50

100

150

200

250

v

o

l

t

a

g

e

,

[

V

]

time,[ us ]

current true inductance

current true diode

voltage on capacitor

0 5 10 15 20 25 30 35 40-5

0

5

10ZVS Commutation with full wave commutation element

c

u

r

r

e

n

t

,

[

A

]

0 5 10 15 20 25 30 35 40-100

0

100

200

300v

o

l

t

a

g

e

,

[

V

]

time,[ us ]

current true diode

current true inductance

voltage on capacitor

V1100V I15AD1

MBR1540

0

V2

TD = 20u

TF = 0.5uPW = 25uPER = 47u

V1 = 0

TR = 0.5u

V2 = 10 0

+

-

+

- S1

SVON = 1.0VVOFF = 0.0V

0

C1

150nF

L1

120uH

1 2

D2

MBR1540 D2

MBR1540 I15A

V2

TD = 20u

TF = 0.5uPW = 20uPER = 47u

V1 = 0

TR = 0.5u

V2 = 10 0

L1

120uH

1 2

D1

MBR1540

0

C1

150nF

0

V1100V

+

-

+

- S1

SVON = 1.0VVOFF = 0.0V

Concluzii

38

Regulatoare Surse in ConvertoareLiniare Comutatie Rezonante

Cost mic mare mareGreutate mare mica-medie mica-medieZgomot deloc mare mediuEficienta 35-50% 70-85% 80-90%Iesiri multiple NU DA DATimp de executie mic mare mare

6.Factorul de putere

39

Se definete factorul de putere ca raportul ntre puterea activa si puterea aparenta:

Cu alte cuvinte, factorul de putere arata ce cantitate din puterea aparenta reprezinta puterea activa.

coscos* S

SSPPF

deci factorul de putere este egal cu cosinusul unghiului de defazaj dintre tensiunesi curent, putnd varia n intervalul (0 , 1).

Cnd factorul de putere are valoarea sa maxima, adica cos() = 1,puterea activa devine P = UI si are valoarea maxima, egala cu puterea aparenta.Prin urmare puterea aparenta S este puterea activa maxima care poate sa fiedata de o sursa pentru o anumita tensiune U un anumit curent I. Neegalitateadintre puterea aparenta si cea activa se datoreaza faptului ca n afara de curentulactiv, n faza cu tensiunea, receptorul mai absoarbe un curent reactiv, defazat cu/2 n urma sau inaintea tensiunii (la receptorii inductivi respectiv capacitivi),corespunzator, receptorul absoarbe o putere reactiv Q = UI sin().

currentrmsvoltagerms

poweraverageSPPF

___


40

10

1

cos

cos

nnn tnIIti

tVtv

Datorita faptului ca tensiunea de intrare are o forma sinusoidala putemspune ca V0 = V2 = V3 = = 0. In acest caz, componentele Fourier ale tensiuniirespectiv curentului devin:

1111

00 cos2cos

IVIUIUP kkk

kk

1

220 2n

nef

III21VVef ;

111

220

1

cos

2

2

n

nII

I

PF

efef IUS


41

C1

100n

R1

100

C3

2.2n

0

I

R4

68k

R2

10MEG

R3

1

C2

220u

D5

MBR1540D6

MBR1540

R5

1V1

FREQ = 50VAMPL = 15VOFF = 0

C4

100u

D1

MBR1540

D4

MBR1540

V3

TD = 50u

TF = 1uPW = 45uPER = 100u

V1 = 0

TR = 1u

V2 = 5

D3

MBR1540TX1

+-

+

-

S1

S

VON = 1.0VVOFF = 0.0VD2

MBR1540


42

C1

100n

R1

100

C3

2.2n

0

I

R4

68kL1

10uH

1 2

R2

10MEG

R3

1

C2

220u

D5

MBR1540D6

MBR1540V1

FREQ = 50VAMPL = 15VOFF = 0

C4

100u

D1

MBR1540

D4

MBR1540

V3

TD = 50u

TF = 1uPW = 45uPER = 100u

V1 = 0

TR = 1u

V2 = 5

D3

MBR1540TX1

+-

+

-

S1

S

VON = 1.0VVOFF = 0.0VD2

MBR1540


43

Multumesc !!!

44

Documents

Introducere in alimentarea cu energie a echipamentelor electronice