Wykład 8

Elektroniczne Układy i
Systemy Zasilania
Wykład 8
Politechnika Śląska w Gliwicach
Wydział Automatyki, Elektroniki i Informatyki
dr inż. Ryszard Siurek
Elementy filtrów obwodów wyjściowych
Kondensatory elektrolityczne
Schemat zastępczy rzeczywistego kondensatora
UC
iC(t)
C
t
ULC
T

Uwe  U0
L
U
 ULC  LC 0
L
 ULC  LC
urc (t)  iC (t) rC
UC
rc
ULC
UrC
iC(t)
UrC
UCC
C
Lc
UCC
dla kondensatora 100mF/35V
przy Ic = 1,25A
C = 100 mF
Uc = 0,1V
rc = 200 mW
Urc = 0,25V
Lc = 100 nH
ULC = 0,0125V
Uwe  U0 2
t  UC (0)
2LC
U
UCC  0 (t  t)2  UC (t)
2LC
UCC 
Zasadniczy wpływ na wielkość tętnień napięcia wyjściowego ma rezystancja szeregowa kondensatorów elektrolitycznych
– stosujemy kondensatory specjalne o małym rs
Wpływ skutecznej wartości prądu na kondensatory filtrów
wyjściowych zasilaczy impulsowych
Przetwornica dwutaktowa
Przetwornica jednotaktowa
załóżmy:
- przepływ krytyczny
- g = 0,5
- I0 = 5A
ID
Imax
ID
I0
I0
t
Imax = 4I0 = 20A
t
T
ID < 20%I0 = 1A
IC
UC
IC
ULC
UCC+ULC
UC > 400 mV
Icsk= 8,16 A
załóżmy:
rC = 20mW
UC
UC < 20 - 25 mV
Icsk= 0,81 A
T
Zasady doboru kondensatorów elektrolitycznych
stosowanych w zasilaczach impulsowych
pojemność
[mF]
2200
4700
6800
napięcie znamionowe
[V]
25
50
80
1780
2120
2480
2770
3240
3670
4350
Dopuszczalne wartości skuteczne prądu
[mA] dla kondensatorów elektrolitycznych
przy temperaturze 85oC lub 105oC i
częstotliwości 120Hz (taki prąd powoduje
przyrost temperatury kondensatora < 8 deg)
Kt
2
1
20
40
60
Kf
80
100
[oC]
160-450V
1,4
Icskmax=KtKfIsk
63-100V
1,2
1
120
1k
10k
[Hz]
•
•
•
•
•
dobieramy kondensatory z małą rezystancją szeregową (specjalne) ze względu na
małe tętnienia napięcia wyjściowego
dobieramy kondensator (lub kilka kondensatorów łączonych równolegle) tak, aby nie
przekroczyć maksymalnego dopuszczalnego prądu skutecznego
dobieramy kondensatory o możliwie maksymalnych gabarytach ze względu na
możliwości odprowadzania ciepła (straty mocy czynnej na rezystancji szeregowej rs)
minimalizujemy i symetryzujemy rezystancje szeregowe doprowadzeń elektrycznych
do kondensatorów (ścieżki obwodu drukowanego, przewody, szyny metalowe itp.)
umieszczamy kondensatory z dala od elementów grzejących się (rezystory mocy,
radiatory elementów półprzewodnikowych)
D1
Zw
rd
rd
Uwy=U0
Dławik filtru wyjściowego
1.
Wybór materiału magnetycznego – zależy od:
- częstotliwości pracy - dla dużych składowych zmiennych prądu (pola
magnetycznego) i częstotliwości powyżej 1 kHz stosowane są materiały
ferrytowe ze względu na małe straty mocy, dla niskich częstotliwości należy
stosować blachy żelazokrzemowe, które mają dużo większą indukcję nasycenia
Bs (można nawinąć mniej zwojów – mniejsze straty mocy w „miedzi”), najnowsze
opracowania technologiczne - rdzenie amorficzne i nanokrystaliczne stosowane
dla częstotliwości do 20 kHz łączą zalety rdzeni ferrytowych i żelaznych (duże Bs
oraz bardzo małe straty w rdzeniu)
- stosunku IDC/IAC - wymiary rdzenia, wielkość szczeliny, wielkość tzw. „okna”
- własności mechanicznych – sposób mocowania, odporność na temperaturę,
wstrząsy, wibracje itp.
Procedura projektowania dławika
1. Określamy żądaną indukcyjność na podstawie wartości składowej zmiennej prądu
L
IL
Io
Uwe - U0
t  20Ι0
L
Uwe
C
Ro
U0
L
Uwe - U0
t
0,2I0
2. Dobór średnicy przewodu nawojowego
zakładamy zwykle gęstość prądu 2,5 < J < 5 [A/mm2]
J
I0

d2
4
d 2
I0
 J
3. Dobór wymiarów rdzenia i wielkości szczeliny w obwodzie magnetycznym
B T 
bez szczeliny
ze szczeliną
ls
Bs
B
B0
Sw
H
H
H0(I0)
H0 
-Bs
A
 M 
H1(I1)
I0  ZL
lg
lg
Można skorzystać z wykresów Hahn’a
Ku  B  L
B L
AL.=800
AL.=250
ETD34
AL.=6600
AL  f( 1 )
ls
L  AL  z2
(1)
AL.=400
EE30
AL.=1000
AL.=10000
0,1
a)
b)
c)
d)
e)
f)
g)
h)
1,0
10
100
1000
NI [Azw]
przyjąć wstępnie rdzeń (wymiar)
przyjąć wielkość szczeliny (AL)
określić maksymalną liczbę IxZ [Azw]
sprawdzić, czy można dla tej liczby zwojów uzyskać żądaną wartość L
jeżeli nie, to zwiększyć szczelinę (zmniejszyć AL) i wrócić do pkt. d)
jeżeli tak, sprawdzić, czy uzwojenie zmieści się
jeżeli nie, to zwiększyć rozmiar rdzenia i rozpocząć od pkt. a)
jeżeli tak - koniec procedury
-
(1)
Dobór rdzenia na podstawie tzw. współczynnika „AP” (Area Product)
charakteryzującego rdzeń o określonych wymiarach geometrycznych
AP [cm4]
Sw
100
AP  Sw  Se
l
[cm4 ]
10
Se
Dla podanego przykładu można dobrać rdzeń
ETD34 – AP=1.185 cm4 , l = 34 mm
1,0
0,2
1
2
5
10
20
50 100
I0 [A]
Obliczenie liczby zwojów dławika
E  zL
zL  Se
d
dI
L
dt
dt
dΒ
dI
L
dt
dt
zL 
L  I
B  Se
przyjmujemy I = I0+0,1I0
oraz B = Bmax (Tmax)
zLmin 
L  (I0  0.1I0 )
Bmax  Se
Obliczenie długości szczeliny powietrznej
μ μr  zL2  Se
ls  0
10 2 [cm]
L
mr  przenikalność magnetyczna powietrza (=1)
m0  przenikalność magnetyczna próżni (4p10-7)
Wykorzystanie metody empirycznej
1.
2.
3.
przy obciążeniu maksymalnym zmniejszać szczelinę dławika obserwując przebieg
Nawinąć na korpusie liczbę zwojów zL > zLmin przewodem o maksymalnej grubości
obserwować kształt prądu w dławiku (kształt tętnień napięcia wyjściowego)
dobrać szczelinę, przy której tętnienia są najmniejsze i nie występują objawy
nasycenia rdzenia
IL (UrC)
IL (UrC)
szczelina optymalna
IL (UrC)
Straty mocy w elementach magnetycznych
Straty czynne związane z rezystancja uzwojeń
- tzw. „straty w miedzi”
PCu  I2sk RL [W]
I
I
Imax
Imin
Imax
t
t
t
t
T
T
2
2
Isk  (Imax
 Imax Imin  Imin
)
t
3T
Isk  Imax
t
3T
Straty w rdzeniu magnetycznym (prądy wirowe, przemagnesowanie)
Prdz
[mW/cm3]
100
10
B [mT]
100
200
300
Przyrost temperatury dławika lub transformatora
określenie przyrostu temperatury jest istotne ze względu na:
- temperaturę Curie (nieodwracalna możliwość utraty własności
magnetycznych)
- dopuszczalną temperaturę materiałów izolacyjnych (normy
bezpieczeństwa)
- dopuszczalny przyrost temperatury wewnątrz urządzenia
Korzystamy ze wzorów przybliżonych (empirycznych):
T 
800  (PCu  Prdz )
SC
[o C]
SC - powierzchnia całkowita transformatora [cm2]
SC  34  AP0,51 [cm2 ]
Problem rozproszenia magnetycznego związanego ze szczeliną w dławiku (transformatorze)
opaska miedziana
szczelinę należy wykonywać tylko w kolumnie środkowej
•opaska magnetyczna zmniejsza pole rozproszenia (zakłóceń) ale zwiększa straty
•opaska nie może stanowić zwartego zwoju!
•