SzabóJózsef Egyszerű feszültség és áramszabályozócsurgai/urtechgyak/Szabo... · 2014-04-21 · Energiaellátó rendszer alapvető architektúrák • Páruamos szabályozás

Szabó József

Egyszerű feszültség és áramszabályozó

Szélessávú Hírközlés és Villamosságtan TanszékŰrtechnológia laboratórium

Egyszerű feszültség és áramszabályozó

Űrtechnológia a gyakorlatbanBudapest, 2014. április 10.

Egyszerű párhuzam a műholdfedélzeti

energiaellátás két alapesetével

• DET és PPT elvek

• Egyszerű sönt szabályozó és DET párhuzam– Generátor + ellenállások = napelem

– Zener dióda = sönt

Űrtetechnológia a gyakorlatban 2014. 04. 10. Egyszerű feszültség és áramszabályozó / 2Ismétlés

– Zener dióda = sönt

– Kimenet = busz terhelés

• Egyszerű áram v. feszültség szabályozó és PPT párhuzam– Generátor + ellenállások = napelem

– Tranzisztor = soros

– Kimenet = busz terhelés

Energiaellátó rendszer alapvető architektúrák• Párhuzamos szabályozás (DET)

Inapelem = Isönt + Iterhelésfeszültség konstans

• Soros szabályozás (PPT)Unapelem = Usoros + Uterhelés

áram konstans

Napelem Párhuzamos Terhelés

Napelem Soros Terhelés

IsmétlésŰrtetechnológia a gyakorlatban 2014. 04. 10. Egyszerű feszültség és áramszabályozó / 3

Konstans terhelés

Usa

Isa

Napelem

• A és B pontPnapelem = Pterhelés

• C és D pontPnapelem max = Pterhelés + Psönt

Párhuzamos szabályozás (DET)

Egyszerű áramnyelő

szabályozó

R1Us

Rt

Ub=Us*R2/(R1+R2) Ube=0.7V

It=Ue/Re

Egyszerű soros

feszültség szabályozó

CélokŰrtetechnológia a gyakorlatban 2014. 04. 10. Egyszerű feszültség és áramszabályozó / 4

R2 Re

Ue=Ub-Ube

•R1-R2 "feszültség generátor"

•Re áram beállító (kis hőfokfüggés)

•Rt terhelés

•R1-R2 "feszültség generátor"

•Rc másodlagos szerepe (0-Rmax)

•Rt terhelés

Egyszerű soros feszültség szabályozó 1.

R1

Us

Rc


Kimenet szűrése.

Űrtetechnológia a gyakorlatban 2014. 04. 10. Egyszerű feszültség és áramszabályozó / 5

R2

Rt


Ue=Ut=Ub-Ube

C

R1

Us

Rc



Kimenet független a

terhelés változástól.


Uz

Rt


Ue=Ut=Uz-Ube

C


R1

Us

Rc


Kimenet független a “pn”

átmenet hőmérsékletének

változásától.


Uz

Rt

Ue=Ut=Uz+Ud-Ube=Uz

ha Ud=UbeC

R1

Us

Rc


Ue=Ut=Uz+Ube

T1


• Kimenet független a Zener

dinamikus ellenállásától

(terhelés változásra).

• Zener “hibajel erősítő” szerepe


Uz RtC

R2

T1

T2

Aktív áramköri elemek• Tranzisztor

– Áramvezérelt (idális nincs)

– BE dióda vékony BC dióda vastag bázisú

– A három fő paraméter

Icmax Ucemax fT– PNP és NPN

• MOS tranzisztor


• MOS tranzisztor

– Feszültség vezérelt

– A három fő paraméter

Idmax Udsmax Rdson– P és N típus

• Jfet (field-effect transistor)

• Tirisztor, triak, IGBT, pjt, ujt stb.

Tranzisztor

paraméterek

hőfokfüggése


Egyszerű áram szabályozó tervezése (mintapélda)

• Feszültség forrás + áram szabályozó = áramgenerátor

• Áramiránytól függően:

– Nyelő típusú (current sink)

– Forrás típus (current source)

• Áramköri elhelyezkedéstől függően:

– Fezsültség forrás pozitív kapcsa (forrás)


– Fezsültség forrás pozitív kapcsa (forrás)

– Feszültség forrás negatív kapcsa (nyelő)

Áram

iránya


szabályozó tervezése

(mintapélda)

R1Us

Rt

Ub=Us*R2/(R1+R2)

Ue=Ub-Ube

Ube=0.7V

It=Ue/Re

Terhelés:

• Rt min = 0 ohmIosztó

Ib c

eb


R2 Re

Ideális esetben:

• Ib << Iosztó = Us/(R1+ R2)

• B végtelen

• Ube hőfokfüggetlen

Valóságos esetben:

• Ib <Iosztó (pl. Ib = 0.05*Iosztó)

• B = 10 - 100 (hőfokfüggő)

• Ube = 0,7V-2mV/K*deltaT(25 C°-ra normalizálva)

• Rt min = 0 ohm

• Rt max = (Us-Ue-Ube)/It

(az aktív tartomány határa)

Iosztó

Egyszerű áramnyelő szabályozó tervezés

Ha Ib << Iosztó akkor

Ha Ib < Iosztó akkor

Ha Ib << It akkor

21

21

21

2

RR

RRIb

RR

RUsUb

+

⋅⋅+

+⋅=

UsRR

RUb ⋅

+=

21

1

IcIt==

UfUb −=


Ha Ib << It akkor

Ha Ib < It akkor

B

Ic

B

ItIb ==

Re

UfUbIt

−=

B

Ic

B

ItIb == Ib

UfUbIt −

−=

Re

B

UfUbIt

11

1

Re+

⋅−

=

B

BUfUbIt

+⋅

−=

1ReUbe=Uf

Tranzisztor Ube nyitófeszültség

hőfok kompenzálása

R1

UsRt

It=Ue/ReR1

UsRt

It=Ue/Re


R2 Re

Ub=Ube+(Us-Ube)*R2/(R1+R2)

Ue=Ub-Ube

Ube=0.7V

Ube=0.7V

UR2=(Us-Ube)*R2/(R1+R2)

R2

Re

Ub=Uf+(Us-Uf)*R2/(R1+R2)

Ue=Ub-Ube

Ube=0.7V

Uf=0.7V

UR2=(Us-Uf)*R2/(R1+R2)

R1

UsRt

It=Ue/Re

Tranzisztor B egyenáramú erősítés hőfok és

Us változás kompenzálása


Uz

Us

Re

Ub=Ube+Uz

Ue=Ub-Ube=Uz

Ube=0.7V

Ube=0.7V

Példák a

Netről

Precision Current Source


Precision Current Sink

Mintapélda mérési eredményekkel

+

LED2 C

QX35A

T2 !NPN

Re

R1

V1 9

R2

tE21

2B iRV7,0V9V9

RR

RU ⋅−−=⋅

+=Az áram változása a hőmérséklet függvényében

20,520

20,530

20,540

20,550

20,560

20,570

20,580

20,590

20,600

20,610

-60 -30 0 25 29 50 80

Hőmérséklet [Celsius fok]

Mért áram [mA] 10V

12V

14V

20V

30V

+


-

+

+

OP1 !OPAMP

T1 !NPN

R1 75k

R2 125

R3 13k

C1 100n

C2 47u

FR1 N

ORPS-11

LED1 C

QX35A

U1 BAL74C

+U2 9

+

Ω ZM1

ReR2


szabályozó

R1Us

Rt


It=Ue/Re

Célok (ismétlés)

Egyszerű soros

feszültség szabályozó


R2 Re

Ue=Ub-Ube

•R1-R2 ”feszültség generátor”

•Re áram beállító

•Rt terhelés

•R1-R2 “feszültség generátor”

•Rc másodlagos szerepe

•Rt terhelés

Alap paraméterek

• Ube minimum

• Ube maximum

• Uki

Optimális tervezés

• Hőmérséklet min

• Hőmérséklet max

• Paraméter szórás

Tervezés követelményei


• Uki

• Uki tolerancia

• Iki minimum

• Iki maximum

• Paraméter szórás

• Aktív eszköz disszipáció minimalizálás

• Szabályozó fogyasztás minimalizálás = hatásfok max

Tápegységek (fontosabb fogalmak)

Tápegységek illesztik az elsődleges energia forrást a fogyasztóhoz.

Energia forrás:– feszültség generátor, áramgenerátor, vagy “vegyes” (napelem)

– egyen vagy váltó paraméterű (DC vagy AC)

Tápegységek osztályozás szempontok– felhasználás célja (berendezésbe építhető, nyákba építhető, labor asztali)

Elsődleges energiaforrás Tápegység Fogyasztó


– felhasználás célja (berendezésbe építhető, nyákba építhető, labor asztali)

– energia bemenetek száma (egy vagy több bemenet)

– kimenetek száma (egy vagy több kimenet)

– üzemmód (lineáris vagy kapcsoló üzemű)

– állandó vagy változtatható ki és bemeneti paraméterek (CV, CC, vegyes)

– galvanikus elválasztás

Tápegységek felépítése– energia átviteli lánc

– vezérlő kör

Energia átviteli lánc elemei• Egyeneirányítók (AC energia forrásból DC)

• Transzformátorok (AC energia forrásból másik AC)

• Lineáris üzem

– soros (PPT) beavatkozó elem

– párhuzamos (DET) sönt beavatkozó elem

– transzformátor


– transzformátor

• Kapcsoló üzemű cella elemei

– vezérelt kapcsolók (tranzisztor)

– polaritás vezérelt kapcsolók (dióda)

– energia tárolók (kondenzátor, tekercs)

– transzformátorok

– szűrők (kondenzátorok, tekercsek)

Vezérlőkör elemei• Referencia forrás

• Hibajel erősítő (Referencia és szabályozott paraméter összehasonlítása)

• Bekapcsolási csúcsáram korlátozó (töltetlen energiatárolók)

• Alulfeszültség védelem (kapcsoló üzem esetén fontos)

• Túlfeszültség védelem (bemeneten és kimeneten is lehet fontos)

• Túláram védelem

• Túlmelegedés védelem


• Túlmelegedés védelem

• Üzemállapot jelzés

• Hibajelzés

• Analóg telemetria

Kapcsolóüzemű

szabályozó típusok:– Feszültség módusú

– Árammódusú

Referencia zener diódávalŰrtetechnológia a gyakorlatban 2014. 04. 10. Egyszerű feszültség és áramszabályozó / 23

ZzZzR

UbzUsUbzZzIzUbzUz ⋅

+

−+=⋅+=

• +2mV/C°zener dióda

• -2mV/C°

tranzisztor bázis

Referencia zener diódával és konstan

áramú generátorral


tranzisztor bázis

Rs

UbetIz

1=

11 UbetZzIzUbzUbetUzUref +⋅+=+=

Bandgap referencia• Elhanyagolható bázisáramok

• K konstans

• ∆Tj réteghőmérséklet változás

• I1 > I2

223 RIUbetUref ⋅+=

212

UbetUbetI

−=


12

RI =

1ln1 IKTjUbet ⋅⋅∆=∆

2ln2 IKTjUbet ⋅⋅∆=∆

21

213 R

R

UbetUbetUbetUref ⋅

∆−∆+∆=∆

2

1ln

1

23

I

I

R

RKTjUbetUref ⋅⋅⋅∆+∆=∆

• ∆Ubet3 negatív (-2mV/K°)

• I1 > I2 tehátln(I1/I2) pozitív

• I1, R1, R2 --> ∆Uref = 0

Tranzisztoros feszültség szabályozó

Szabályozó

eszközBeavatkozó

jelSzabályozott

kimenet

Energiaforrás


Alapjel

(referencia)

Ellenőrző jel =

Uki*R2/(R1+R2)Hibajelerősítő

Az anyaghoz kapcsolódó kérdések• Milyen tranzisztor típusokat ismer? Mi határozza meg a munkaponti áramot a különböző

fajták esetében?

• Mutassa be az egyszerű áramnyelő szabályozót. Mely paraméterek befolyásolják az áram érték pontosságát és milyen módszerekkel lehet a pontosságot javítani?

• Ismertesse az egyszerű áramnyelő szabályozó méretezés szempontjai! (Számpélda: méretezés adott paraméterekkel)

• Milyen módszereket lehet használni a terhelés és hőmérséklet változás hatásainak kiküszöbölésére az egyszerű áramszabályozó esetében?


kiküszöbölésére az egyszerű áramszabályozó esetében?

• Milyen módon származtatható az egyszerű áramszabályozóból feszültségszabályozó?

• Milyen módszereket lehet használni a terhelés és hőmérséklet változás hatásainak kiküszöbölésére egyszerű soros feszültség szabályozó esetében?

• Egyszerű feszültség szabályozó méretezés szempontjai! (Számpélda: méretezés adott paraméterekkel)

• Milyen szempontok szerint osztályozzuk a tápegységeket?

• Milyen főbb egységekből épül fel egy tápegység, mik az egységek alkotó elemei?

• Milyen referencia feszültség forrásokat ismer és milyen azok hőmérséklet függése?

• Ismertesse a hibajel erősítőt tartalmazó feszültség szabályozó működési elvét!

Documents

SzabóJózsef Egyszerű feszültség és áramszabályozócsurgai/urtechgyak/Szabo... · 2014-04-21 · Energiaellátó rendszer alapvető architektúrák • Páruamos szabályozás