Microsoft Word - bakalarka.doc- 1 -
Vysoké uení technické v Brn Fakulta elektrotechniky a komunikaních technologií
Obor Mikroelektronika a technologie
2007/08
- 2 -
Obsah: 1. Rozdlení spínaných zdroj str. 4 2. Zdroje s kmitotem 50 Hz str. 4 3. Nábojové pumpy str. 5
4. Zdroje s induknostmi str. 6 Spínané zdroje s regulací na sekundáru str. 6 Spínaný zdroj s pevodem DC/DC str. 7 Spínané zdroje s regulací v primáru str. 8 5. Jednotlivé bloky zdroje str. 8 Širokopásmový filtr str. 8 Usmrova str. 8 Vyhlazovací filtr str. 9 Spína str. 10 Impulsní transformátor str. 12 Výstupní usmrova str. 13 Výstupní filtr str. 13 ízení str. 13 6. Konkrétní zdroj str. 14 7. Závr str. 18 8. Pouitá literatra str. 18
- 3 -
Seznam Obrázk: Obr. 1- Zdroj s tyristorovou regulací str. 5 Obr. 2- Principielní schéma dlie dvma str. 6 Obr.3- Blokové schéma spínaného zdroje s regulací na sekundáru str. 7 Obr. 4- Blokové schéma stejnosmrného mnie str. 7 Obr. 5- Blokové schéma spínaného zdroje s regulací v primáru str. 8 Obr. 6- Dvoucestn usmrnné naptí bez filtrace str. 9 Obr. 7- Dvoucestn usmrnné naptí s filtraním kondenzátorem 1F str. 9 Obr. 8- Dvoucestn usmrnné naptí s filtraním kondenzátorem 10F str. 10 Obr. 9- Dvoucestn usmrnné naptí s filtraním kondenzátorem 200F str.10 Obr. 10- Nábná hrana sepnutí tranzistoru str.11 Obr. 11- Sestupná hrana rozepnutí tranzistoru str. 11 Obr. 12- Celková perioda tranzistoru str. 11 Obr. 13- Spínání nevyfiltrovaného naptí str. 12 Obr. 14- Spínací cyklus str. 13 Obr. 15- PWM modulace str. 14
Obr. 16- PFM modulace str. 14 Obr. 17- Velikost frekvence spínání str. 15 Obr. 18- Schéma regulace str.16 Obr. 19- Schéma zdroje str. 17
- 4 -
1. Rozdlení spínaných zdroj Spínané zdroje se v dnešní dob pouívají více ne klasické lineární. Tyto zdroje
najdeme napíklad v nabíjekách, zdrojích pro notebooky, poítaích a spoust dalších vcí.
Hlavní výhodou spínaných zdroj oproti lineárním je jejich malá velikost, úinnost, velikost
výstupních proud a monost mít výstupní naptí vyšší ne vstupní. V následující tabulce
vidíme porovnání spínaných zdroj s regulací v primáru a zdroj lineárních. Samozejm e
tyto hodnoty se mohou mnit s konkrétním zapojením zdroje.
Tab. 1- Porovnání spínaných a lineárních zdroj
Spínané zdroje lze rozdlit do tí základních kategorií:
1) Spínané zdroje s pracovním kmitotem 50 Hz
2) Spínané zdroje bez indukností (Nábojové pumpy)
3) Spínané zdroje s induknostmi
2.Spínané zdroje s pracovním kmitotem 50 Hz Tento typ zdroj se v dnešní dob u nepouívá. Nalezneme ho ve starších pístrojích. Tyto
zdroje umoovali stabilizaci zmn síového naptí, realizovali se bu s transformátorem
nebo bez nj. Spínací prvky se realizovali pomocí tyristor. Zapojení tohoto zdroje je
jednoduché, ale obtínji se filtrovalo zvlnní na výstupu.
Parametr Jednotka Lineární zdroj Spínaný zdroj pomr výkon / váha [W/kg] 20 100 úinnost [%] 40-50 >80 pomr výkon / objem [W/cm3] 0,05 0,2 výstupní zvlnní [mV] 5 50 šum na výstupu [mV] 50 200 odezva na skokovou [ms] 0,02 1 zmnu záte doba nábhu [ms] 2 20 cena realizace prudce stoupá mírn stoupá s výkonem s výkonem Poznámka: S rostoucím kmitotem se zlepšují kvalitativní ukazatele ve prospch spínaných zdroj.
- 5 -
(Pevzato z knihy Návrh napájecích zdroj pro elektroniku)
3.Spínané zdroje bez indukností (Nábojové pumpy) Tyto zdroje pracují na principu nabíjení a vybíjení více kondenzátor. Pi takovéto práci s
kondenzátory je poteba více spínacích tranzistor. Tranzistory jsou realizovány CMOS
technologií. Takovéto zdroje umí vstupní naptí invertovat, dlit a násobit. Princip dlení
dvma si lze pedstavit jako dvoufázový cyklus, kdy se v první fázi se nabíjejí 2 sériové
kapacity a ve druhé fázi se pepnou na paralelní. Realizace zapojení se provádí pomocí
speciálních integrovaných obvod, pokud bychom potebovali vtší proudy je nutno pipojit
další externí kondenzátory.
Volbou pracovního kmitotu spína meme zmnit vlastnosti zdroje:
a) fs je vysoký- malé rozmry, malé výstupní zvlnní a ltší vlastní spoteba
b) ff je malý- vtší úinnost, vtší výstupní zvlnní, niší vlastní spoteba
Výhody: U tchto zdroj se neobjevují špiková indukovaná naptí, mají velmi malé ztráty,
úinnost dosahuje 90% a minimáln vyzaují elektromagnetickou energii.
- 6 -
Obr. 2- Principielní schéma dlie dvma
(Pevzato z knihy Návrh napájecích zdroj pro elektroniku)
4. Spínané zdroje s induknostmi Blokové schéma zdroje s regulací na sekundáru a pracovním kmitotem f>20 kHz.
Tyto spínané zdroje se tolik nepouívají jako ty s regulací v primáru a to z dvodu velikosti
transformátoru, který transformuje síový kmitoet. Transformátor nám sniuje síové naptí
na poadovanou hodnotu a teprve po tomto kroku se s naptím pracuje. Po usmrnní a
vyfiltrování je toto naptí “rozsekáno” na vyšší kmitoet dnes a 1MHz. Naptí za spínaem
usmrníme rychlými Shottkyho diodami a vyfiltruje. Samozejm e u tohoto zpsobu
meme výstupní naptí regulovat pomocí zptné vazby.
Výhody: Vysoká úinnost regulace, poití nízkonapových spína a také e rušení ze
spínání neproniká pes transformátor do sít.
Nevýhody: Velký objem a hmotnost transformátoru a filtraních kondenzátor.
- 7 -
Blokové schéma stejnosmrného mnie.
Pokud z pedchozího blokového schématu vyadíme síovou ást a nahradíme ji napíklad
akumulátorem. Vznikne nám zapojení stejnosmrného mnie, který umouje napájení
pístroj ze stejnosmrných zdroj.
Obr. 4- Blokové schéma stejnosmrného mnie (Pevzato z knihy Návrh napájecích zdroj pro elektroniku)
Blokové schéma zdroje s regulací v primáru a pracovním kmitotem f>20 kHz.
Nejastji se pouívá spínaný zdroj bez síového transformátoru, ale s impulsovým
transformátorem. Síové naptí 50Hz je usmrnno a filtrováno. Z tohoto stejnosmrného
naptí spína udlá stídavé o frekvenci vyšší ne 20kHz. Naptí za spínaem me být
- 8 -
transformováno impulsním transformátorem na poadovanou hodnotu, poté usmrnno
rychlými diodami (Schottkyho) a vyfiltrováno. Po vyfiltrování je naptí meno zptnou
vazbou a porovnáváno s referenní hodnotou, pokud se tato naptí neshodují, je udlen píkaz
k regulaci. Regulace se provádí pomocí spínae.
Výhody: Je veliká úinnost, malé rozmry a hmotnost.
Nevýhody: Je velké výstupní zvlnní, nutnost zaadit filtr i na vstup proti pronikání rušení ze
zdroje do sít a špatné dynamické vlastnosti.
Obr. 5- Blokové schéma spínaného zdroje s regulací v primáru
(Pevzato z knihy Návrh napájecích zdroj pro elektroniku)
5. Popis a simulace blok pouitých u zdroje s regulací v primáru
Blok širokopásmový filtr: Tento filtr nám odstrauje rušení zpsobené spínacím prvkem,
který toto rušení vytváí díky strmým spínacím hranám.
Blok usmrova: V tomto bloku se usmrní síové naptí (230 V/50 Hz). Nejastji se na
takovéto usmrnní pouívá Graetzv mstek. Diody pouité v tomto mstku musí vyhovovat
závrným naptím a pedním proudm, jinak je mono pouít bné usmrovací diody. Na
Obr. 6 je dvoucestn usmrnné síové naptí Graetzovým mstkem.
- 9 -
Obr. 6- Dvoucestn usmrnné naptí bez filtrace
Blok vyhlazovací filtr: Tento blok je tvoen elektrolytickým kondenzátorem který nám
vytvoí stejnosmrný charakter usmrnného naptí. Tento kondenzátor musí vydret závrné
naptí alespo 340V ((230V + 5%) x 2) a mít malý ESR (efektivní stejnosmrný odpor), aby
byl schopen dodávat krátké ale velké proudové impulsy. Pro výpoet velikosti vyhlazovacího
kondenzátoru potebujeme znát zvlnní a velikost odebíraného proudu.
Pro initel zvlnní lze napsat vztah:
2
2
2
(F) (1.2)
Na Obr. 7 a 9 vidíme jak nám velikost kondenzátoru dokáe ovlivnit výstupní naptí z
vyhlazovacího filtru. Z tchto graf vyplívá e ím vtší je kapacita filtraního kondenzátoru
tak tím lepší bude filtrace, ale to není pravda. Pokud by jsme pouili píliš vysokou hodnotu
kapacity kondenzátoru, tak me dojít k tomu e se kondenzátor nestihne nabít a sníí nám
velikost výstupního naptí.
Obr. 7- Dvoucestn usmrnné naptí s filtraním kondenzátorem 1F
- 10 -
Obr. 8- Dvoucestn usmrnné naptí s filtraním kondenzátorem 10F
Obr. 9- Dvoucestn usmrnné naptí s filtraním kondenzátorem 200F
Spína: Je nejproblematitjší souástkou v celém mnii, protoe jsou na nj kladeny
nejvyšší poadavky. Je tvoen spínacími tranzistory FET. Tranzistory pro takovéto aplikace
musí být schopny spínat vysoké frekvence do 1MHz, proudy v ádech ampér, závrné naptí
UCE musí být 500 a 1000V zaleí na typu mnie. Další dleitou vlastností tranzistoru je
velikost spínacích, vypínacích as a velikost proudu ID. Aby se ztráty zpsobené spínáním
udreli pod pijatelnou mezí je nutné aby doba sepnutí/rozepnutí byla nejvýše 1 a 2%
pracovního cyklu mnie. Je nutné poítat s tím e velikost proudu ID prudce klesá s rostoucí
teplotou tranzistoru.
Pi frekvenci spínání f= 77kHz je perioda spínání T=13 s.
Výpoet periody pomocí frekvence f
T 1
(s) (2.1)
Na Obr. 10 vidíme nábnou hranu spínání tranzistoru. Doba nábhu je 20ns, to pi celkové
period 13 s je 0,15%.
- 11 -
Obr. 10- Nábná hrana sepnutí tranzistoru
Na Obr. 11 vidíme sestupnou hranu rozepínání tranzistoru. Doba rozepnutí je 21ns, to pi
celkové period 13 s je 0,16%.
Obr. 11- Sestupná hrana rozepnutí tranzistoru
Obr. 12 nám zobrazuje celkovou periodu tranzistoru.
Obr. 12- Celková perioda tranzistoru
- 12 -
Pokud nebude výstupní naptí z filtru dobe vyfiltrováno me dojít k penosu tohoto
špatného vyfiltrovaného naptí i na další leny zdroje, to bude mít za následek kolísání
výstupního naptí. Na Obr. 13 je vidt co by mohlo zpsobit nevyfiltrované naptí s velikostí
naptí na spínai. Velikost vstupního naptí a frekvence spínání jsou zredukovány, aby bylo
na obrázku dobe patrné co se me stát.
Obr. 13- Spínání nevyfiltrovaného naptí
Impulsní transformátor: Tento blok obsahuje impulsní trafo které nám uruje celkové
vlastnosti zdroje. Dalo by se íci e tato souástka je nejdleitjší v celém zapojení. Nejvtší
vliv na chod transformátoru má jádro které musí být tvoeno feritovým materiálem, který
musí mít píhodné magneticko-fyzikální vlastnosti pro dané kmitotové pásmo. Prez jádra
lze spoítat ze vztahu: f P
B S
f- Frekvence (Hz)
Z tohoto vztahu vyplívá , e prez jádra se zmenšuje se zvyšující se frekvencí. Pi frekvenci
75kHz je jádro menší 38,7x ne oproti jádru které pracuje na 50Hz.
7,38 50
kHz
(2.2)
Znaný vliv na vlastnosti transformátoru má i zpsob navíjení. Pi návrhu je nutné brát
v úvahu minimalizaci rozptylových indukností a parazitních kapacit. Toto se dá vyešit
rozdlením primárního vinutí na 2 nebo více ástí a mezi tyto ásti vkládáme jednotlivá
sekundární vinutí. Pi vysokých kmitotech se ím dál mén uplatuje prez drátu, ale
- 13 -
zvyšuje se vliv povrchové vodivosti. Proto pouíváme pro vinutí nkolik tenkých paralelních
vodi, pi kmitotech okolo 120kHz u pouijeme vysokofrekvenní lanko.
Blok výstupní usmrova: Pro tento usmrova u nememe pouít bné usmrovací
diody, je teba pouít rychlé usmrovací diody s velmi krátkými zotavovacími dobami.
Nejlepší pro takto rychlé aplikace jsou Schuttkyho diody, které mají velmi krátké zotavovací
doby a v propustném smru mají menší úbytek naptí ne bné. Výstupní usmrova se
rozhodnou mrou podílí na celkové úinnosti zdroje, zvlášt kdy se usmrují malá naptí a
velké proudy.
Blok výstupní filtr: Tento blok nám sniuje zvlnní výstupního naptí na úrove pouitelnou
pro napájení výstupního zaízení. Kondenzátory v tomto filtru je lepší pouívat speciální pro
tyto typy aplikací a nebo pouít paralelní kombinaci dvou menších kapacit. K tmto
kondenzátorm meme paraleln pipojit tlumivku nebo nap. tantalový kondenzátor. U
tlumivky je poteba zajistit patinou induknost v celém rozsahu moné záte.
Blok ízení spínae: Pomoci tohoto bloku meme stabilizovat výstupní naptí a proud.
Stabilizace je provádna spínáním spínacího tranzistoru. Stabilizace je podmínna vzájemnou
souinností stabilizaního lenu s filtraním lenem, filtraní len v tomto pípad musí mít
výrazný akumulaní charakter. Pracovní cyklus spínaného stabilizátoru je sloen z doby Ta
spína je sepnut, z doby Tb spína je v tuto dobu rozepnut a z doby Tc toto je celková doba
pracovního cyklu spínae.
Obr. 14- Spínací cyklus
ízením velikosti tchto as dochází ke stabilizaci.
Pro náronjší aplikace se pouívá zpsob ízení PWM (impulsní šíková modulace).
Základním nedostatkem u tohoto zpsobu ízení je, e výstupní filtr má setrvaný charakter
toto zpsobuje zpodní mezi korekcí a odchylkou. Pro pijatelné dynamické parametry je
- 14 -
nezbytnou pracovní podmínkou vysoký pracovní kmitoet spínání. U této modulace je
konstantní doba Tc a mní se velikost dob Ta a Tb. Frekvence spínání se nemní je poád
stejná.
Obr. 15- PWM modulace
(Pevzato z http://lucy.troja.mff.cuni.cz/~tichy/elektross/skripta/kap5/5_3.html)
Pro jednodušší zpsob se pouívá PFM (impulsní frekvenní modulace). U této modulace je
konstantní doba Tb nebo Ta a mní se doba Tc. Frekvence spínání se mní.
A) ,konstTa ,konstT )()( ZcZb IgfIgT
B) ,konstTb ,konstT )()( ZcZa IgfIgT
Obr. 16- PFM modulace
(Pevzato z http://lucy.troja.mff.cuni.cz/~tichy/elektross/skripta/kap5/5_3.html)
5. Výbr vyrábného spínaného zdroje Pro projekt jsem si vybral spínaný zdroj s indukností a s regulací v primáru. Tento zdroj se
mi zalíbil z dvodu jeho velikosti. Schéma zdroje pochází z Rádia plus KTE roník 2001/IX.
- 15 -
- Výstupní proud max. 5A
- Kmitoet cca 75kHz
Ve zdroji je pouit jako ídící len integrovaný obvod UC3843 v základním zapojení.
Velikost frekvence lze ídit pomocí velikostí odporu R6 a kondenzátoru C7. Pouili jsme
odpor 10k a kondenzátor 2,2nF, prseík tchto hodnot jsem vyznail na Obr. 15 odpovídá
to zhruba frekvenci 70-80kHz.
(Pevzato z Katalogového listu obvodu UC3843)
- 16 -
- 18 -
6. Závr Pi rozhodování jaký typ zdroje bych ml vyrábt, moje rozhodnutí padlo na spínaný zdroj, a
to z dvodu jeho velikosti a hmotnosti.
V této práci jsem podrobnji rozpracoval blokové schéma Spínaného zdroje s regulací
v primáru. Na blocích usmrova, filtr a spína jsem provádl simulace v programu Pspice.
Samozejm e hodnoty simulací nebudou pesn dosaeny pi zhotovení zdroje.
Pokraováním této práce bude Bakaláská práce ve které tento zdroj hodlám vyrobit a
promit.
7. Pouitá literatura
[1] HUSÁK, M. Návrh napájecích zdroj pro elektroniku- Pednášky, VUT, Praha 2006
[2] asopis Rádio plus KTE, roník 2001/IX
[3] Internet: http://lucy.troja.mff.cuni.cz/~tichy/elektross/skripta/kap5/5_3.html