1 Zasilacze: - stabilizatory o pracy ciągłej. Stabilizator prądu , napięcia
advertisement
Zasilacze: - stabilizatory o pracy ciągłej. Stabilizator prądu , napięcia Napięcie Io niestabilizowane E(t) STABILIZATOR Uo Napięcie / prąd stabilizowany Parametry stabilizatorów liniowych napięcia (prądu) • Napięcie wyjściowe • Zakres napięć wejściowych • Prąd wyjściowy maksymalny i znamionowy • Prąd zwarcia • Zakres temperatury pracy • Sprawność energetyczna • Prąd wyjściowy • Dopuszczalny spadek napięcia (maksymalny i minimalny) • Napięcie rozwarcia • Zakres temperatury pracy • Sprawność energetyczna 1 Podstawowe parametry „stabilizacyjne” stabilizatorów liniowych napięcia Niestabilność od obciążenia Niestabilność długoterminowa (dynamiczna rezystancja wyjściowa) Nie można obecnie wy świetlić tego obrazu. ∆U o = ∂U o ∂U o ∂U o ∂U o ∆E + ∆I o + ∆T + ∆t ∂E ∂I o ∂T ∂t Niestabilność od temperatury Niestabilność od nap. zasilania Wsp. stabilizacji ( „charakterystyka wyjściowa” jest do zapamiętania) U0 Prawidłowy obszar pracy ∆U0 fold-back I0max I0min ∂U o ∆U 0 ≈ ≈ Rwyjsciowa ∂I I max − I min Wsp. stabilizacji („charakterystyka przejściowa” jest do zapamiętania) U0 ∆U0 Prawidłowy obszar pracy U0min Emin Emin − U o min ≈ U DROPOUT Emax ∂U o ∆U 0 ≈ ∂E Emax − Emin 2 Podstawowe parametry „stabilizacyjne” stabilizatorów liniowych prądu Niestabilność od obciążenia Niestabilność długoterminowa (dynamiczna kondunktancja wyjściowa) Nie można obecnie wy świetlić tego obrazu. ∆I o = ∂I o ∂I ∂I ∂I ∆E + o ∆U o + o ∆T + o ∆t ∂E ∂U o ∂T ∂t Niestabilność od nap. zasilania Niestabilność od temperatury Stabilizatory parametryczne (napięcie zależy od „parametru” przyrządu półprzewodnikowego) Warystor U I U = CI 0.14÷0.5 Stabilizatory parametryczne (napięcie zależy od „parametru” przyrządu półprzewodnikowego) RS I0 E(t) IZ UZ RS I0 E(t) Dioda Zenera I U IZmin rZ UZ IZmax 3 Projekt „diody Zenera” Rs I0=0 I E(t) E IZ UZ U IZ=E/RS dla IO=0 Projekt „diody Zenera” wsp. stabilności od obciążenia RS I ∆Uo I0 E(t) Io+ ∆Io IZ Io U E ∆ IZ= -∆Io ∆U o = ∂U o ∆I o = rz ∆I o ∂I o Projekt „diody Zenera” wsp. stabilności od zasilania RS ∆Uo ∆E E(t) Io E+∆E E I0 I IZ U ∆U o = ∂U o rz ∆E = ∆E ∂E rz + RS 4 Projekt „diody Zenera” dobór RS RS I I0 E(t) IZ Io U IZmin E E/RS - Rs duże E/RS - Rs małe IZmax Projekt „diody Zenera” dobór RS RS UZ+IZmaxrz Emax Emin I UZ I0 E(t) IOmax IZ IOmin=0 IZmin RS ≤ Emin − U Z I O max + I Z min IZmax PZmax RS ≥ Emax − (U Z + I Z max rZ ) I O min + I Z max Zasilacz z diodą Zenera wady i zalety RS I0 E(t) IZ - Wymagana duża różnica E-Uo (wtedy RS jest dostatecznie duże i stabilizacja skuteczna) - Duże straty mocy Pstrat= (E-Uo)(IZ+Io) +UZIZ - Duże szumy diody !!!!!! - Mała wydajność prądowa (IZmax - związane z mocą diody) - Słaba stabilność temperaturowa 5 Parametry diod Zenera ∆U o = ∆U o = ∂U o ∂U o ∂U o ∂U o ∆E + ∆I o + ∆T + ∆t ∂E ∂I o ∂T ∂t rz ∂U Z ∆E + rz ∆I o + (TWU Z )U Z ∆T + ∆t rz + RS ∂t Stabilność czasowa UZ,=10-3÷10-5 [1/1000h] Wymagane duże RS, a więc duże E-Uo Dioda Zenera o zwiększonej mocy UZ’=UZ+UBE Stabilizator wtórnikowy ∆U o = rz r ∂U BE ∂U Z ∆E + z ∆I o + (TWU Z )U Z − ∆t ∆T + rz + RS β ∂T ∂t RS – może być duże RS Uo=UZ - UBE 6 Stabilizator równoległy i szeregowy I I ≈ IO I I = I Z + IO II II I I = I Z + IO IZ Io Io IZ Mniejsze straty mocy Źródła odniesienia • Diody Zenera • Kompensowane diody Zenera – Scalone diody • Band gap („napięcie baza emiter kompensowane termicznie”) • Termostatowane źródła odniesienia Dioda Zenera kompensowana termicznie (TWU Z )U Z ≈ 2 mV / K dla U Z ≈ 6 ÷ 9V ∂U BE ≈ −2mV / K ∂T TWUZ≈0 UZ=6÷9V Wymagany jest stały prąd bo współczynniki termiczne diody Zenera i diody zależą od prądu 7 Dioda Zenera kompensowana termicznie przykład U O = U Z + U BE jako funkcja prądu diody (slajd z wykłądu – elementy) dU D dT 3 2.5 [mV/K] 2 - - - - idealna 1.5 ------- rzeczywista (wpływ rezystancji szeregowej Rs) 1 -1 0 10 1 10 10 2 10 [mA] Diodowy czujnik temperatury (slajd z wykładu 1 – elementy) U I D = I S exp D nϕT +VCC ID1 − 1 ϕT = kT e ID2 UT D1 D2 I U T = U D 2 − U D1 = nϕT ln D 2 I D1 dU T nk I D 2 = ln dT e I D1 8 Źródło odniesienia band-gap (przerwa energetyczna) ∆U BE R2 R3 ∆U BE = U BE1 − U BE 2 = n U REF = R2 kT I 2 ln e I1 R2 ∆U BE + U BE 3 R3 ∂U REF R2 k I 2 U BE 3 − EGO − 3ϕT n ln + = =0 ∂T R3 e I1 T U − EGO − 3ϕT R2 k I 2 n ln = − BE 3 R3 e I1 T I2 I1 R3 ∆U BE UREF ≈ 1,25V Inne odmiany 2,5V i inne Band-gap 2,5V UREF ≈ 2,5V Inne odmiany są możliwe Źródła odniesienia • Diody Zenera • Kompensowane diody Zenera – Scalone diody • Band gap („napięcie baza emiter kompensowane termicznie”) • Termostatowane źródła odniesienia 9 Źródła odniesienia (przykłady) Stabilizatory kompensacyjne Element pomiarowy Element regulujący R1 R U O = U REF 1 + 1 R2 k UI Uref R2 Wzmacniacz błędu Źródło odniesienia ∆U O = ∆U I 1+ k 1 ≈0 R2 R1 + R2 dla k →∝ Najprostszy stabilizator kompensacyjny szeregowy R1 II k Uref IZ R2 10 Stabilizator kompensacyjny 1 R1 R U O = U REF 1 + 1 R2 UI UREF R2 Stabilizator kompensacyjny 2 UREF R1 R U O = U REF 1 + 2 R1 UI R2 Typowe układy zabezpieczeń Zab. termiczne Zab. przed wstecznym napięciem na wyjściu Zab. przed ujemnym napięciem Zab. przepięciowe i przeciwnej polaryzacji na wyjściu 11 Elementy stosowane do zabezpieczeń Elementy zabezpieczające: • dioda, • dioda Zenera, • transil (jedno- lub dwustronny), • triak (tyrystor), • Iskrownik próżniowy, • bezpiecznik topikowy (szybki lub zwłoczny), • bezpiecznik półprzewodnikowy (PTC), • Inne…… Układ zabezpieczenia prądowego (najprostszy ?) E UO Pmax = EI O max IO IOmax U = RI I O I O max = U BE RI ≈ 0,7V RI Układ zabezpieczenia prądowego (fold-back) E E Pmax = EI Ozwarcia R1 U RI = I O max RI > U BE + U R1 URI=IORI R2 UO R1 (U O + RI I O max ) R1 + R2 stąt : 1 R1 R1 1 + U BE + U O RI R2 R2 gdy U O = 0 I O max = UO IO IOzwarcia U R1 = IOmax I Ozwarcia = 1 RI R1 1 + U BE R2 12 Stabilizatory kompensacyjne µA723 - schemat b. uproszczony +E Tranzystor dużej mocy Ograniczenie prądu zwarcia (fold-back) Ogranicznik prądu Regulacja napięcia Stabilizatory trzykońcówkowe o stałym napięciu – 78xXX ∆U +E 1 Vin Vout 3 Uo GND 2 UO[V]=(XX) 3,3 5 5,2 6 8 8,5 9 12 15 18 24 Stabilizatory trzykońcówkowe o stałym napięciu – 79xXX ∆U -E 2 Vin Vout GND 1 3 -Uo UO[V]=(XX) -5 -6 -9 -12 -15 -18 -24 13 Stabilizatory trzykońcówkowe o stałym napięciu serii 78xXX Główne cechy: • Napięcie wejściowe – 35V(40V) • Ograniczenie prądu 0,1A/1A/3A (TO-92/TO-220/TO-3) • Minimalny spadek napięcia CU≈2V • Parametry stabilizacyjne przeciętne (temperatury, napięcia wyjściowego, obciążenia) • Ogranicznik temperatury Przykłady obudów stabilizatorów monolitycznych TO-92 – 100mA TO-220 – 1A TO-3 – 3÷5A Stabilizatory napięcia stałego – możliwości rozszerzenia zakresu zastosowań +E 6Ω Uo 1 Vin Vout Zwiększenie dopuszczalnego prądu 3 GND -zwiększa się minimalny spadek napięcia 2 +E Uo 1 Vin Vout 3 Zwiększenie dopuszczalnego prądu i ograniczenie prądu tranzystora GND 2 -zwiększa się minimalny spadek napięcia 14 Stabilizatory napięcia stałego – możliwości rozszerzenia zakresu zastosowań +E Uo+Udz 1 Vin Zwiększenie napięcia wyjściowego 3 Vout -parametry stabilizacji mogą się pogorszyć jeśli zastosujemy zwykłą diodę Zenera GND 2 Regulowane napięcie odniesiania trzykońcówkowe LM385-ADJ +E R1 R2 1,24V 1,24(R2/R3 + 1) [V] R3 Monolityczne stabilizatory o nastawnym napięciu R1 R U O = U REF 1 + 2 R1 R2 R U O ≈ 51 + 2 [V ] + I SP R2 R1 +E 1 Vin 7805 GND Vout 3 R1 5V 2 Isp R2 15 Monolityczne stabilizatory o nastawnym napięciu LM317 LM317 UO +E 1 Vin 3 Vout R1 GND 1,245V 2 50÷100µA R U O ≈ 1.251 + 2 [V ] R1 R2 Monolityczne stabilizatory o nastawnym napięciu ujemnym LM337 LM337 -UO -E 1 Vin 3 Vout R1 GND 1,245V 2 50÷100µA R U O ≈ −1.251 + 2 [V ] R1 R2 Monolityczne stabilizatory o nastawnym napięciu i prądzie maksymalnym - L200 RImax +E 1 Vin Vout Imax GND 3 Ref 0,4 ÷ 0,5 I O max ≈ [ A] RIm ax Uo 5 2 R U O ≈ 2,771 + 1 [V ] R2 R1 4 R2 2,7V 16 Stabilizatory LDO (Low DropOut) ∆U W typowym zasilaczu ∆U>2V W zasilaczu LDO ∆U>0,2÷0,5V Zestawienie właściwości zasilaczy scalonych tranzystora zewnętrznego b-bez zewnętrznego ogranicznika Zasilacz dwunapięciowy „dual tracking regulator” +E +Uo R3 R2 R1 Uref R U O = −U O = U REF 1 + 2 R1 Masa wirtualna R3 -E -Uo 17 Zasilacz z zaciskami pomiarowymi +U +S -S Napięcie stabilizowane -U Charakterystyki impulsowe +E Uo 1 E Vin 3 Vout IO UO GND 2 IO E UO UO Charakterystyki impulsowe +E Uo 1 Vin Vout 3 GND 2 Zminimalizowanie skutków skoków napięcia wejściowego: Zminimalizowanie efektów skoków prądu obciążenia: -Dodatkowy filtr (C, L itp..) •zmniejszenie impedancji wyjściowej prze dodanie kondensatorów o małej impedancji dla wysokich częstotliwości, -Inne elementy tłumiące (np..transil) -Zasilacz wstępny •kondensatory przy elementach pobierających prąd impulsowo 18 Stabilizatory prądu U U Umax U Umin R IOmax U I ≈ BE R Stabilizatory prądu U DZ − U BE R U min = U DZ + U Tsat U + U BE I = DZ R U min = U DZ + U BE + U Tsat I= R R Stabilizatory prądu LM317 1 Vin Vout GND 2 3 1,25V + I zas R U min ≈ 1,25 + 2 = 3,25V I≈ R Izas 19 Podsumowanie • Główne parametry stabilizatorów • Stabilizatory parametryczne oparte na diodzie Zenera • Źródła napięć wzorcowych • Stabilizatory kompensacyjne • Sposoby zabezpieczeń stabilizatorów • Stabilizatory scalone – typy, własności • Stabilizatory prądu Pytania kontrolne • Co to jest stabilizator szeregowy i równoległy – główne cechy ? • Jaka jest zasada działania prostego ogranicznika prądu (z tranzystorem) ? • Co to jest ogranicznik prądu typu „foldback” ? • Narysuj charakterystykę przejściową i wyjściową stabilizatora napięcia. Jakie parametry stabilizatora można z nich odczytać ? 20
