Elektroniczne Układy i Systemy Zasilania

1. Elektroniczne Układy i Systemy Zasilania Wykład 5 Politechnika Śląska w Gliwicach Wydział Automatyki, Elektroniki i Informatyki dr inż. Ryszard Siurek

2. Przetwornice impulsowe Zastosowanie transformatora - zapewnia izolację galwaniczną pomiędzy wejściem i wyjściem (bezpieczeństwo, dowolna polaryzacja napięcia wyjściowego) - małe wymiary transformatora ze względu na dużą częstotliwość przełączania - obniżanie lub podwyższanie napięcia wyjściowego niezależnie od przyjętej podstawowej struktury sterownika impulsowego - możliwość obniżenia napięcia wejściowego tak, aby można było wykorzystywać optymalny zakres współczynnika wypełnienia (w szczególności dotyczy to zasilaczy sieciowych – wysokie napięcie wejściowe i bardzo niskie napięcia wyjściowe) - możliwość łatwego uzyskania kilku napięć wyjściowych

3. Przetwornica jednotaktowa – jednotranzystorowa (ang. forward converter) = typowy obwód filtru sterownika STSI Ip T Iw D2 L Up Uwe Uw t T D1 C R0 Zp Zw U0 Cwe Zd przekładnia transformatora Model transformatora transformator idealny * rp Lsp Lsw Ip Iw = Iw /n Iw FM Lp * Up Uw Up = Uwn IM n Zakładamy: Lsp, Lsw = 0 rp, rw = 0

4. Schematy zastępcze przetwornicy jednotaktowej Takt I 0 < t <t Tranzystor T - włączony , dioda D2 - przewodzi, dioda D1 - nie przewodzi L T Ip = IT Iw IL D2 FM Up Uw Uwe IM R0 U0 C Lp D1 IM n IT IT IMmax IM IMmax t IL ILmax ILmin FM FMmax

5. Takt II t < t < T Tranzystor T - wyłączony , dioda D2 - nie przewodzi, dioda D1 - przewodzi Dd L Iw=0 IL T Ip = 0 Zp dUp D2 dUd UT FM dUw IM R0 U0 Uwe Zd C D1 Lp Up Ud=Uwe n IM Uw=Up/n IT Up= IT IMmax Po wyłączeniu T pojawia się przepięcie dUp na uzwojeniu Zp i transformuje się jako dUw na stronę wtórną Wyłącza się dioda D2, przepięcie transfor-muje się na uzwojenie Zd i włacza diodę Dd Napięcie Ud osiaga wartość Uwe i nie może więcej wzrastać Napięcie Ud=Uwe transformuje się na uzwojenie Zp poziomując je na wartości Up Rdzeń transformatora rozmagnesowuje się w czasie t1 IM IMmax t T ILmax IL I0 ILmin FM IM FMmax prąd w Zd prąd w Zp IMmax t t1 UT Uwe

6. Rozmagnesowanie transformatora – analiza szczegółowa UT dULs UT iZd(t) iZp(t) rzeczywiste przepięcie T Uwe dULs Ls Uwe t1 Uwe Lp t T IZp IMmax Zp Zd Dążymy do tego, aby dULs było jak najmniejsze, a więc Ls musi być małe - to wymaga dobrego sprzężenia magne-tycznego pomiędzy uzwojeniami Zp i Zd W praktyce Zp = Zd i uzwojenia nawijaja się bifilarnie. wtedy UTmax = 2Uwe IZd FM FMmax W celu pełnego rozmagnesowania rdzenia musi być spełnione:

7. Różne sposoby rozmagnesowania rdzenia Dd Zp=Zd D2 L D1 C R0 Zp Zw U0 Cwe Zd Uwe Cs Układ tłumiący przepięcia na tranzystorze (ang. snubbar circuit) T Rs Ds Wady: konieczność stosowania dwóch uzwojeń, trudności w nawijaniu, wysoki koszt transformatora, możliwość przebicia elektrycznego izolacji, współczynnik wypełnienia g < 0,5, konieczność tłumienia przepięć na tranzystorze Zalety: Odzyskiwanie dużej części energii magnesowania (sprawność), jeden tranzystor przełączający, łatwe sterowanie tranzystora

8. Zp=Zd D2 L Rs Cs D1 C R0 Zp Zw U0 Up Uwe Cwe Gdy Uo jest większe (większy rezystor Rs), to czas rozmagnesowania t1 maleje i może być mniejszy od t. Tak więc można stosować współczynnik wypełnienia g > 0,5 T UT=Up+Uwe Wady: energia magnesowania jest tracona w rezystorze Rs, mniejsza sprawność, konieczność stosowania rezystora (rezystorów) dużej mocy, nagrzewanie elementów, możliwość wystepowania na tranzystorze napięcia większego od 2Uwe Zalety: Tańszy i prostszy transformator, możliwość pracy z większym od 0,5 współczyn-nikiem wypełnienia, brak dodatkowych przepięć na tranzystorze – nie ma problemu indukcyjności rozproszenia W tej konfiguracji przetwornicy układ nie stosowany w praktyce ze względu na zbyt duże straty mocy.

9. T1 D1 D2 L Ip Uw Up D1 C R0 Zp Uwe Zw U0 Cwe T2 Up=Uwe g< 0,5 D2 Wady: dwa tranzystory przełączające, skomplikowany układ sterowania, wyższe koszty Zalety: prosty transformator, brak dodatkowych przepięć na tranzystorze – nie ma problemu indukcyjności rozproszenia, napięcie na tranzystorze nie przekracza Uwe W tej konfiguracji przetwornicy układ stosowany często przy dużych mocach wyjściowych – zwykle powyżej 300 – 500W

10. Przedstawienie zjawisk w rdzeniu magnetycznym na krzywej magnesowania – zjawisko nasycenia B B Bs Bs H H Nasycanie rdzenia dla nie-prawidłowo zaprojekto-wanego transformatora -Bs -Bs iM(t) Ip FM IM prąd rozmagnesowania FM prąd magnesowania FMmax * iw(t) IM IMmax t t t t1

11. Nasycenie rdzenia jako wynik niewłaściwego rozmagnesowania transformatora FM B Bs t H Ip t -Bs

12. Nasycenie rdzenia dławika wyjściowego B IL Bs I1 DB B0 I0 t DH H H0(I0) H1(I1) Ip -Bs t