Realizarea unei surse de alimentare

download Realizarea unei surse de alimentare

of 24

  • date post

    28-Dec-2015
  • Category

    Documents

  • view

    200
  • download

    1

Embed Size (px)

description

Proiectarea practica si teoretica a unei surse de alimentare in comutatie

Transcript of Realizarea unei surse de alimentare

Proiectarea i realizarea unei surse de alimentare n comutaie

Student: Vlad Mihai PLCINT

2014Cuprins

1. Introducere32. Proiectarea sursei72.1 Alegerea topologiei72.2 Alegerea tranzistorului de putere92.3 Circuite de comand122.4 Etajul driver152.5 Realizarea inductorului, alegerea diodei de redresare i alegerea condensatoarelor de filtrare163.7 Calcule173. Rezultate practice21

1. Introducere

Orice circuit electronic, pentru funcionare, are nevoie de o surs de alimentare. Pentru circuitele electronice sau echipamentele de mic putere este suficient, de multe ori, o baterie. Pentru circuitele electronice de putere mai mare, principala surs de energie este reeaua de curent alternativ de 50Hz, dar unele circuite nu accept direct curent alternativ, ci o tensiune continu simetric(amplificatoare audio) sau o tensiune de 3 ori mai mic dect cea de la reea, pentru asta utilizm o surs n comutaie(cele mai des folosite n ziua de astzi) corect dimensionat pentru alimentarea acesteia. n proiectarea unei surse de alimentare de calitate, fiabil i cu randament ridicat se iau n vedere urmtoarele cerine: cost de producie mic, s utilizeze tehnologie modern, dimensiuni i greuti ct mai reduse i stabilitate n timp.Principiul sursei n comutaie a fost folosit de peste 100 ani. Sistemul de aprindere utilizat ntr-un motor pe benzina a fost cea mai veche versiune a sursei n comutaie flyback. Urmtoarea generaie de surse n comutaie a fost folosirea lor n televizoare la tensiuni nalte.[1.1]O surs liniar poate produce doar o tensiune mai mic ca tensiunea de intrare. S lum drept exemplu un dispozitiv care necesit o tensiune de 5V la un curent de circa 1A i dispunem doar de o surs de alimentare de 12V. Dac folosim un circuit integrat dedicat, gen LM7805, acesta are nevoie de o tensiune de minim 7.5V la intrare pentru a asigura cei 5V i 1A la ieire. Diferena dintre tensiunea de intrare i cea de ieire se numete Voltage drop i influeneaz direct randamentul sursei, n cazul de fa circuitul integrat va trebui s disipe 7W pentru a asigura cei 5W necesari dispozitivului ceea ce ofer o eficien de circa 41%. Dac utilizm o surs n comutaie randamentul ei depsete 80% deoarece pierderile sunt minime pe elementele de putere.Sursele liniare necesit radiatoare foarte mari pentru disiparea puterii dar sunt i foarte voluminoare i grele. Transformatoarele din sursele liniare lucreaz la o frecven de 50Hz dar au un gabarit foarte mare, n schimb sursele n comutaie necesit un radiator mult mai mic deoarece pierderile sunt mici, dar i transformatoarele folosite n surse comutaie sunt de dimensiuni mici, fiind fabricate dintr-un material special pentru frecvene de lucru mari, de ordinal zecilor de KHz, iar pentru filtrare se folosesc capaciti foare mari la cele liniare i capaciti mici la cele n comutaie. Deasemenea i preul surselor liniare este mai mare fa de cel al surselor n comutaie. Sursele liniare au totui un avantaj fa de cele n comutaie, n sensul c sunt tcute, datorit frecvenei de operare. Sursele liniare se folosesc atunci cnd se necesit alimentarea unor circuite analogice sensibile la zgomot.Exist un caz particular de surse liniare numite Low-drop-out linear regulators ce accept o diferen de tensiune de circa 0.3-0.5V pentru a funciona corect. Datorit acestui parametru acest tip de surse poate fi folosit n aplicaii de putere mic.Sursele n comutaie pot fi controlate att cu ajutorul PWM(modularea impulsurilor n laime) ct i PFM (modularea impulsurilor n frecven).Modularea impulsurilor n durat este cea mai comun i utilizat n sursele n comutaie. Semnalele PWM transmit imformaia prin limea impulsului obinut. Obinea unui semnal PWM se realizeaz cu ajutorului unui generator dinte de fierstru(oscilator), amplificator de eroare i comparator.

Fig.1.1 Semnal dinte de fierstru(sus) i semnal PWM(jos)

Principalul parametru al semnalul PWM este factorul de umplere(duty cycle). Acesta transmite informaia limii pulsului.D= D-factorul de umplere;- timpul de conducie;- timpul de blocare;-perioada semnalului, T. Factorul de umplere este o mrime adimensional i exprimarea sa se face n procente(%).

Fig1.2 Semnal PWM cu 25% factor de umplere

Fig.1.3 Semnal PWM cu 50% factor de umplere

Fig.1.4 Semnal PWM cu 75% factor de umplere

Modularea impulsurilor n frecven este o tehnic mai eficient de comand utilizat n sursele n comutaie. Funcionare pe baza acestei modulaii se bazez pe tehnici de salvare a energiei. O surs n comutaie comandat cu PFM comand tranzistorul de putere doar atunci cnd tensiune de ieire scade sub un anumit prag(tensiunea de ieire nominal), astfel c atunci cnd se petrece acest lucru tranzistorul de putere este comandat pn cnd este atins pragul stabilit i 0.8% peste aceast limit de prag. Pe timpul cnd tranzistorul nu este comandat, toate circuitele interne sunt oprite astfel economise energie, care astfel mrete eficiena. Modulaia impulsurilor n frecven se folosete de regul la cureni mici de ieire de pn la 1000mA.

Fig.1.5 Semnal PFM[1.2]

Sursele liniare prezint avantajul simplitii dar prezint dezavantaje ca eficien sczut, iar tensiunea i curentul de ieire nu pot fi mai mari dect tensiunea i curentul de la intrare. Sursele n comutaie sunt complexe, au eficien mare, iar tensiunea i curentul de ieire pot fi mai mari sau mai mici ca tensiunea i curentul de intrare.

2. Proiectarea sursei

2.1 Alegerea topologiei

Pentru proiectarea schemei sursei este necesar alegerea unei topologii care s satisfac urmtorii parametri: Tensiunea de intrare 10V-25V Tensiunea de ieire maxim 25V Tensiunea de ieire minim 5V Curent de ieire maxim 2A Eficiena conversiei la circa 50% ncrcare de minim 80%

Pe baza acestor am ales topologia SEPIC(Single-ended primary-inductor converter), deoarece permite ca tensiunea de ieire sa fie mai mare sau mai mic dect tensiunea de intrare.

Fig.2.1 Schema de baz a configuraiei SEPIC

Tensiunea de ieire este controlat de ctre factorul de umplere al semnalului cu care este comandat tranzistorul de putere, astfel la un factor de umplere mic tensiunea va fi minim, iar la un factor de umplere mare tensiunea va fi maxim. Principiul de funcionare este asemntor ca cel al unui convertor buck-boost doar ca are avantajul ca nu inverseaz polaritatea tensiunii fa de tensiunea de intrare. Configuraia folosete un condensator care cupleaz tensiunea de intrare cu cea de ieire, dar care asigur i un rspuns foarte bun la scurt-circuit.

Fig.2.2 Schema de baz mai detaliat a configuraiei SEPIC

2.2 Alegerea tranzistorului de putere

Alegerea tipului de tehnologie pentru utilizarea pe post de comutator de putere este infuenat de mai muli factori, cum ar fi costul, vrfurile de tensiune i curent, frecvena de lucru i bineneles puterea disipat. Sunt trei tipuri mari de comutatoare de putere:1. Tranzistorul bipolar2. Tranzistorul MOSFET3. Tranzistorul bipolar cu gril izolat(IGBT)Tipul dispozitivuluiPierderi n conduciePierderi n comutaiePutere de comand

Tranzistor bipolarMICIMARIMARI

Tranzistor MOSFETMARIMICIMIC

IGBTMEDIIMEDIIMIC

Fig.2.3 Tipuri de tranzistori de putere i caracteristicile lor[3.1]Tranzistorul bipolar este un dispozitiv comandat n curent, iar curentul din baz este o proporie din curentul de colector. La tranzistoarele de putere bipolare media factorului este ntre 5 i 20. Acesta poate creea piederi impresionante dac nu este asigurat o comand corect n baz. Frecvena maxim de operare a unui tranzistor bipolar este cuprins ntre 80KHz i 100KHz.Tranzistorul bipolar de putere prezint avantajul unei saturaii profunde, de unde reies pierderile mici n conducie, dar are dezavantajul unei dinamici mai lente care determin pierderi mari n comutaie.

Fig.2.4 Simbolul unui tranzistor bipolar de tip npn

Tranzistorul MOSFET este cea mai popular alegere pentru comutatoarele de putere n sursele n comutaie ct i n redresarea sincron. Este un dispozitiv comandat n tensiune capabil s in zeci de amperi cu un curent foarte mic aplicat n poart. Acesta prezint 2 capaciti fa de terminalul poart, capacitatea de intrare n poart() i capacitatea invers dren-poart(). Capacitatea de intrare() este o valoarea fix determinat de capacitatea format ntre subtrat i oxidul metalic din poart, valoarea ei este cuprins ntre 800pF i 3200pF. Pentru comanda tranzistorilor MOSFET este nevoie de un driver de curent capabil s ncarce i s descarce capacitatea de intrare cu vrfuri de cureni mari pentru scurte perioade de timp. Comanda tranzistorului MOSFET nflueneaz eficiena sursei n comutaie. Pentru a reduce ct mai mult a pierderile pe tranzistor este recomandat alegerea unuia cu (rezistena dren surs n conducie ) ct mai mic i capacitatea de intrare s fie de valori minime.

Fig.2.5 Simbolul unui tranzistor MOSFET cu canal nTranzistorul bipolar cu gril izolat(IGBT) este un dispozitiv hibrid lansat pe piaa semiconductoarelor n anul 1982. Acesta conine pe partea de intrare un tranzistor MOSFET(poart) iar pe partea de putere un tranzistor bipolar. Ideea crerii acestui tip de tranzistor a fost de a mbina avantajele celor dou tipuri de tranzistori de putere(bipolar i MOSFET) ntr-o singur pastil de siliciu, evident acesta nu a putut egala 100% proprietile de saturaie profund i viteza de comutaie. nc de la apariia lor i pn n prezent sunt cele mai folosite n electronica de putere( n special aparate de sudur).

Fig.2.6 Simbolul unui IGBT cu canal n

Pentru proiectul prezentat am ales un tranzistor MOSFET cu canal n, e cel mai acesibil tranzistor d