Elektroniczne Układy i Systemy Zasilania

Elektroniczne Układy i
Systemy Zasilania
Wykład 2
Politechnika Śląska w Gliwicach
Wydział Automatyki, Elektroniki i Informatyki
dr inż. Ryszard Siurek
Układy sygnalizacji stanu pracy zasilacza



Sygnalizacja optyczna (najczęściej diody LED)
- kolor zielony
poprawna praca
- kolor czerwony
awaria (zadziałanie zabezpieczeń)
- kolor żółty
ostrzeżenie (np. zanik napięcia sieciowego
i praca z baterii)
Sygnalizacja stykowa (przekaźnik)
- styki zwarte
poprawna praca
- styki rozwarte
awaria zasilania
Sygnał Zaniku Napięcia Zasilania (ang. „Power Fail Signal” lub „PF”)
Uwy
DU
Dt > 1ms
t
PF
„1”
Dt
„0”
t
DU < 5%Uo

Sygnał gotowości (ang. Power Good)
Uwy
DU
DU < 5%Uo
t
„1”
PG
„0”
t
Czas podtrzymania napięcia wyjściowego
Uwe
t
95% Uo
Uwy
Uo
tp
t
tp – czas podtrzymania (ang. hold-up time)
do kilkudziesięciu ms
Zabezpieczenia zasilaczy
Zabezpieczenia przeciążeniowe
1. Stabilizacja prądu obciążenia
Uwy
Uo
Io = Inom Imax
Izw
Iwy
2. Ograniczenie prądu
U wy
punkt pracy w warunkach normalnych
Uo
Obciążenie rezystancyjne
charakterystyka U=f(I) obciazenia
U<Uo
hipotetyczny punkt pracy
Izw
3. Zabezpieczenie wyłączające
4. Zabezpieczenie termiczne
I o = I nom I max
I wy
Zabezpieczenie nadnapięciowe
Uwy
stabilizacja
Uwymax
Uo
SZ – pętla sprzężenia
zwrotnego (do stabilizacji)
SZ1
Uwy
SZ2
wyłączenie
t
UK - układ kontroli napięcia
UK
Wył.
wyłączenie zasilacza
Uwy
Przykładowa realizacja
Uwy
ang. crowbar - aktywizuje
zabezpieczenie przeciążeniowe
Kompensacja spadków napięć na przewodach wyjściowych
Is = 0
ZASILACZ
+S
Io
Uo
U1
rs
DUs
Ro Uo
rs
-S
DUs
U1 = Uo + 2DUs
Stabilizowane jest napięcie pomiędzy zaciskami +S i -S
Współpraca równoległa zasilaczy
Zwiększenie prądu obciążenia
Zasilacz 1
I1
Uo1
I1, I2
zasilacz 1
obciążenie 100%
Io
I2
Uo
Zasilacz 2
I1max
Uo2
I1
I2
Io
I1max
2I1max
~ Uo2
Uo1 =
I1max = I2max
Wymagane zabezpieczenie przeciążeniowe ze stabilizacją prądu
Układ z nierównomiernym podziałem prądu obciążenia
CS - ang. current share
podział prądu
Zasilacz 1
CS
Dodatkowe
połączenie
CS
Zasilacz 2
Uo1
I2
I1
Io
I1, I2
Uo
I1max
Uo2
I1
I2
I1max = I2max
Uo1 > Uo2 (niewielka różnica)
Io
I1max
2I1max
Zasilacz 1 wymusza zmiany U2 tak, aby
prąd I2 był zbliżony do I1
Układ z równomiernym podziałem prądu obciążenia
Zapewnienie redundancji (rezerwacji napięcia)
Uwe1
Zasilacz 1
D1
I1
Uo1
Io
I2
Uo
Uwe2
Zasilacz 2
D2
~ Uo2
Uo1 =
I1max = I2max
Io
< I1max, I2max
Uo2
Redundancja 1 + 1
Redundancja n + x
- „n” modułów koniecznych do zapewnienia prądu obciążenia
- „x” modułów może jednocześnie ulec uszkodzeniu
Najważniejsze parametry dotyczące zasilacza od
strony napięcia wejściowego
Zakres napięcia zasilającego (np. 230V +10%,-15% lub 150V – 260V)
 Rodzaj napięcia zasilania (jednofazowe, trójfazowe, zmienne, stałe lub
jedno i drugie)
 Częstotliwość napięcia zasilania (np. 40Hz – 60Hz lub 40Hz – 400Hz)
 maksymalna wartość skutecznej wartości prądu zasilania (dla najgorszego przypadku)
 Prąd udarowy (przy załączaniu) – np. 30A (typowo)

Iu
Iwe
Uwe
t
Emisja zakłóceń elektromagnetycznych
Pole elektromagnetyczne
zakłóceń
(pomiar w zakresie
od 30 MHz do 1 Ghz)
Przewody zasilające
Prądy i napięcia zakłóceń
przewodzonych
(pomiar w zakresie od
0,15 MHz do 30 MHz)
ZASILACZ
Zakłócenia radioelektryczne (ang. EMI)


Zakłócenia przewodzone
- pomiar napięcia zakłóceń na rezystancji 50W w znormalizowanym układzie pomiarowym tzw. „sztucznej sieci”
- zakres częstotliwości: 150kHz - 30 MHz
- jednostka: dBm
Zp = 20log Uz [dBm]
Zp - poziom zakłóceń przewodzonych
1mV
Zakłócenia emitowane
- pomiar natężenia pola elektromagnetycznego w powietrzu
- zakres częstotliwości:
30MHz - 1GHz
- jednostka:
dBmV/m
Ze = 20log Ez [dBmV/m) Ze – poziom zakłóceń emitowanych
1mV/m
Poziomy określają normy, np.:
PN-EN55022 – Dopuszczalne poziomy i metody pomiaru zaburzeń
radioelektrycznych wytwarzanych przez urządzenia informatyczne
Układ pomiarowy
Kabina ekranowana
Uwe
Iz
Sztuczna
Zasilacz
sieć
Ro
Ez
Miliwoltomierz selektywny
Pomiar w zakresie 0,15 – 30MHZ
Analizator widma natężenia
pola elektromagnetycznego w
paśmie 30MHz – 1GHz
Przykładowy protokół z pomiarów
Współczynnik mocy i jego korekcja
Uwe, Iwe
U
I
Dt
„moc całkowita”
moc pozorna
2
S [VA] = I Z
f
moc czynna
2
P [W] = I R
T
t
f = 1/T
f = 2pfDt
moc bierna
2
Q [var] = I (X L - X C)
PF = cos f
Współczynnik mocy
Zależności obowiązujące dla przebiegów sinusoidalnych
Uwe, Iwe
I1
I-sza harmoniczna I1(1)
U
I1(1)sk
I1sk
Współczynnik kształtu
t
Ks =
Dt (f)
P (moc rzeczywista)
moc całkowita (pozorna) S = I1sk U
Uwe, Iwe
U
I2
t
1sk
PF = S = II2sk
P
PF = Ks cosf
PF < 1 (0,6 – 0,75)
moc całkowita S = I2sk U = P
Zniekształcony przebieg prądu powoduje:
wzrost mocy pozornej (a więc i prądu pobieranego z sieci energetycznej)
-
wzrost zawartości harmonicznych prądu w przewodach zasilania co
prowadzi do odkształceń sinusoidalnego napięcia sieciowego
-
wzrostu prądu płynącego w przewodach zerowych sieci wielofazowych
-
Od 2001 roku obowiązują przepisy ograniczające zawartość
harmonicznych w prądzie zasilającym urzadzenia elektryczne i
elektroniczne o mocy wyjściowej od 75W – 1000W.
Dokument obowiązujący:
PN-EN 61000-3-2
Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC) – Dopuszczalne poziomy
emisji harmonicznych prądu (fazowy prąd zasilania odbiornika mniejszy lub równy 16A)
W zasilaczach stosuje się układy poprawiające kształt prądu –
Aktywna Korekcja Współczynnika Mocy (ang. PFC)
Odporność na zaburzenia zewnętrzne
o charakterze elektromagnetycznym
Wyładowania elektrostatyczne
Wyładowania atmosferyczne
ZASILACZ
Szybkie elektryczne stany
przejściowe (ang. BURST)
(amplituda do 4 kV)
Zewnętrzne
pola
elektromagnetyczne
Systemy zasilania
- bezpieczeństwo
Centralny blok
zasilacza
Uz
U1
~
~
Moduł zasilany nr1
- funkcjonalność
- niezawodność
Moduł zasilany nr2
U2
Un
Baterie lub akumulatory
Moduł zasilany nr k
Scentralizowany system zasilania
- koszt
Moduł zasilany nr 1
Zasilacz 1
~
~
U1
Moduł zasilany nr 2
- bezpieczeństwo
- funkcjonalność
- niezawodność
Moduł zasilany nr 3
- koszt
Zasilacz 2
~
~
UPS
Uz
U2
U3
Moduł zasilany nr 5
Uz’
~
~
Moduł zasilany nr 4
~
~
Moduł zasilany nr k
Baterie lub
akumulatory
Zasilacz N
~
~
Un
Moduł zasilany
nr k+1
Wielokrotny scentralizowany system zasilania
Przetwornica małej
mocy DC-DC
- bezpieczeństwo
Moduł zasilany 1
- funkcjonalność
- niezawodność
- koszt
Przetwornica małej
mocy DC-DC
220V
50Hz
12V - 24V
nap. stałe
~
~
12V - 24V
U1i
U2i
Moduł zasilany „i”
Stabilizator impulsowy
z dodatkowymi napięciami
wyjściowymi
U2n
U1n
Moduł zasilany „n”
U3n
Niskonapięciowy zdecentralizowany system zasilania
(wysokonapięciowy zdecentralizowany system zasilania)