Proiect EA [PDF]

Zitiervorschau

1

Electroalimentare 2 - proiect

Universitatea Politehnica Bucuresti Facultatea de Transporturi Specializarea Telecomenzi si Electronica in Transporturi

PROIECT ELECTROALIMENTARE II

PROFESOR INDRUMATOR: As. dr.ing. Valentin Iordache

STUDENT: Baciu Adrian Florin 8412

Electroalimentare 2 - proiect

2

1.

Tema proiectului de Electroalimentare:

Să se proiecteze trei surse stabilizate de tensiune continuă, conform cerințelor următoare:  o sursă stabilizată cu componente discrete, în configurație serie;  o sursă stabilizată cu circuit integrat specializat, LM723;  o sursă stabilizată cu circuit integrat specializat, în comutație (conform temei individuale). Parametrii de pornire pentru calculul surselor vor fi următorii:  se consideră Z, ziua nașterii și L, luna nașterii studentului.  alimentare monofazată, cu frecvenţa de 50 Hz, cu tensiune sinusoidală cu valoare nominală de 220V, având variaţii admise de -15%…+10% din valoarea nominală;  pentru sursa cu componente discrete: tensiunea de ieșire U0, curentul de ieșire I0 se vor calcula după formula: U0 = 10 + Z/2 [V]=19.5 I0 = 50 + L*5 [mA]=95  pentru sursa cu circuit integrat LM723: tensiunea de ieșire VS curentul de ieșire IS Max se vor calcula după formula:

Max,

VS Max = 10 + Z/2 [V]=19.5 IS Max = 50 + L*5 [mA]= 95 În funcție de valorile VS Max și IS Max se va alege una din schemele din figurile 3.3, 3.4 sau 3.5.  pentru sursa cu circuit integrat în comutație: Vin Max = 10 + 19/2 [V]=19.5 Vin Min = 8 + 19/3 [V]=14.33 Vout = 3 + 19/5 [V]=6.8 Iout = 1 + 9/12 [A]=1.75

3

Electroalimentare 2 - proiect

 sursele vor fi protejate la supratensiuni și/sau supracurenți;  temperatura mediului ambiant: 30°C Proiectul va trebui să conţină:  memoriu de calcul, cuprinzând toate etajele proiectate;  schema electrică pentru fiecare stabilizator, pe care se vor trece valorile componentelor rezultate în urma calculelor;  nomenclatoarele de componente: denumirea componentei, codul acesteia, valoare, dimensiuni;  desenul cablajului imprimat (realizat de mână), pentru una din schemele cu circuit integrat;  răspunsuri la întrebări (scrise de mână);  bibliografie. Bibliografie recomandată:  I. Ristea, C.A. Popescu, Stabilizatoare de tensiune, Editura Tehnica, Bucureşti, 1983  Mircea A. Ciugudean, Stabilizatoare de tensiune cu circuite integrate liniare. Dimensionare, Editura de Vest, Timişoara, 2001  Mihai Dincă, Electronică. Manualul studentului, Vol I şi II  Agenda radio-electronistului  Cursurile de Electroalimentare şi Dispozitive electronice  www.datasheet.com

4

Electroalimentare 2 - proiect

2. Sursa de alimentare nestabilizată 2.1. Etajul de redresare şi filtrul de netezire Se va folosi un etaj de redresare dublă alternanţă în punte cu filtru capacitiv. Filtrul de netezire capacitiv este suficient deoarece după acesta urmează un stabilizator de tensiune.

Filtrarea capacitivă constă în conectarea unui condensator C în paralel, pe ieşirea redresorului, cu respectarea polarităţii în cazul condensatoarelor polarizate (electrolitice). Condensatorul se va încărca pe porțiunea crescătoare a semialternanței, pe porțiunea descrescătoare fiind cel care furnizează curentul de sarcină. Tensiunea pe acesta se reface pe porțiunea crescătoare a următoarei semialternanțe. Această variație a tensiunii se numește riplu (UZ) și depinde de mărimea condensatorului şi de mărimea curentului folosit de sarcină. Forma tensiunii de la ieșire, cu și fără filtru de netezire, este ilustrată în figura următoare:

Electroalimentare 2 - proiect

5

O particularitate importantă a filtrării capacitive constă în faptul că, în absenţa consumatorului (cu ieşirea în gol), tensiunea de ieşire este egală cu valoarea de vârf a pulsurilor, depăşind astfel de √2 ori valoarea eficace a tensiunii alternative care se redresează. De exemplu, dacă transformatorul furnizează în secundar o tensiune de 10V (valoare eficace), valoarea de vârf a pulsurilor este de √2 ∙ 10𝑉 = 14,1𝑉, neglijându-se căderile pe diode. Prin filtrare capacitivă, tensiunea în gol la ieşirea redresorului va fi, deci, de cca. 14V. Tensiunea minimă de la ieşirea redresorului cu filtru de netezire se alege astfel încât sa fie mai mare decât suma dintre tensiunea de ieşire U0 şi căderile de tensiune pe celelalte blocuri înseriate între filtrul de netezire si ieșirea stabilizatorului (de exemplu Elementul Regulator Serie). Deci: UC ≥ U0 + Ustab ≥ 19.5 + 0.5 = 20 Se consideră valoarea riplului: 𝑈𝑍 = 𝑈0 /6=19.5/6=3.25 Rezultă că valoarea de vârf a tensiunii redresate va fi: 𝑈𝑟𝑒𝑑 = 𝑈𝐶 + 𝑈𝑍 = 20+3.25=23.25 Tensiunea în secundar va trebui însă să fie mai mare, datorită pierderii pe cele două diode prin care circulă curentul. Tensiunea de deschidere a unei diode cu siliciu (în mod normal 0,6...0,7V) se apropie de 1V la curenţi mari. Am folosit o dioda model GL34D tensiunea inversa maxima fiind de 200V si curentul direct maxim de 8.5A iar curentul de sarcina minim este de 0.5A.

Deci tensiunea efectivă în secundar va avea valoarea de vârf: 𝑈𝑆 =

𝑈𝐶 +𝑈𝑍 +2𝑈𝐷 √2

= (20 + 3.25 +1.4)/1.44=17.11

Puntea redresoare conţine diode identice. Acestea sunt alese în funcţie de curentul care trece prin ele, și anume I0, precum și de tensiunea inversă maximă, VRRM (se poate aproxima cu valoarea tensiunii US). Pentru ca în timp de o semiperioadă (Δt = 10ms) condensatorul să se descarce cu ΔU = UZ sub un curent I0, capacitatea acestuia trebuie să aibă valoarea: 𝐶=

∆𝑄 ∆𝑈

=

𝐼0 ∙∆𝑡 𝑈𝑍

= 95 ∗ 10/3.25*10^6=293*10^6=293µ𝐹

Tensiunea maximă pe care trebuie să o suporte condensatorul trebuie să fie mai mare decât Ured.Folosesc condensatorul CE-330/100P 330µF/100V

6

Electroalimentare 2 - proiect

Atenție! Pentru toate componentele electronice se caută valorile standard, apropiate de valorile rezultate din calcule, în foile de catalog, în funcție de domeniul de toleranță și tensiunea de lucru (dacă este cazul).

Electroalimentare 2 - proiect

7

2.2. Transformatorul Datele de pornire cunoscute pentru calculul transformatorului de reţea sunt: 𝑈𝑃 = 220𝑉, 𝑈𝑆 = 17.11V, 𝐼0 = 95𝑚𝐴. Puterea totală în secundar va fi: PS = US ∙ I0 ∙ 1,1 ∙ 1,2 [W] = 17.11 ∗ 95 ∗ 10−3 ∗ 1.1 ∗ 1.2 = 2.14𝑊 unde 1,1 şi 1,2 sunt coeficienţi de siguranţă ai tensiunii de ieşire şi ai redresării. Puterea totală în primar va fi: PP = PS ∙ (1 + PFe + PCu ) [W] = 2.14 ∗ 1,08 = 2.31𝑊 unde PFe = 0,035 reprezintă pierderile în miezul magnetic, iar PCu = 0,045 reprezintă pierderile în conductoarele de cupru. Calculul ariei secțiunii miezului se face pentru frecvenţa f = 50Hz după formula: 50 ∙ 𝑃𝑃 2,31 [𝑐𝑚2 ] = 1.9 ∗ √50 ∗ 𝑆𝐹𝑒 ≥ (1,4 … 1,9)√ = 1,9 ∗ 1,51 = 2.86𝑐𝑚2 𝑓 50 unde valori mai reduse ale coeficientului se adoptă pentru puteri mai mici (de ordinul câţiva wați). Numărul de spire pe volt (necesar pentru a se obţine cu o tensiune de 1V, o anumită inducţie maximă B) pentru înfăşurarea primară se calculează după formula: 104 𝑠𝑝 10000 𝑤𝑃 = [ ]= = 13,1𝑠𝑝/𝑉 4,44 ∙ 𝑓 ∙ 𝐵 ∙ 𝑆𝐹𝑒 𝑉 4,44 ∗ 50 ∗ 1,2 ∗ 2,86 unde inducţia magnetică B = 0,8...1,2T (recomandându-se valoarea superioară pentru puteri mai mici). Numărul de spire pe volt pentru înfăşurarea secundară se calculează după formula: 𝑠𝑝

𝑤𝑆 = 𝑤𝑃 (1 + 𝑃𝐹𝑒 ) [ ] = 13,1(1 +0,035)=13.55 𝑉

Numărul de spire în înfăşurarea primara va fi: 𝑛𝑝 = 𝑤𝑝 ∗ 𝑈𝑝 = 13,1 ∗ 220 = 2882

8

Electroalimentare 2 - proiect

Numărul de spire în înfăşurarea primară va fi: 𝑛𝑆 = 𝑤𝑆 ∙ 𝑈𝑆 = 13,55 ∗ 17,11 = 231.84 ≅ 232 Diametrul conductoarelor de bobinaj se calculează după formula, alegându-se valori standardizate, prin rotunjire superioară față de valoarea rezultată din calcul: 𝐼𝑃 𝑃𝑝 𝑑𝑃 ≥ 1,13√ [𝑚𝑚2 ] ≥ 1,13√ ≥ 1,13 ∗ 0.072 ≥ 0.081𝑚𝑚 𝐽 𝑗 ∗ Up 𝐼

𝑑𝑆 ≥ 1,13√ 𝑆 [𝑚𝑚2 ] ≥ 1,13 ∗ 0.25 ≥0.282mm 𝐽

unde 𝐽 = 2

𝐴 𝑚𝑚2

este densitatea de curent admisibilă a conductoarelor de cupru.

Valorile standard pentru conductor de cupru prin rotunjire superioara este : Primar 0.09 (fara izolatie) 0.113(cu izolatie) Secundar 0.30(fara izolatie) 0.337(cu izolatie) Se alege un transformator cu tole de tip E+I.

Se determină dimensiunea tolelor, alegându-se valori standardizate, prin rotunjire superioară față de valoarea rezultată din calcul, după formula: 𝑎 = (3,7 … 4,4)√𝑆𝐹𝑒 [𝑚𝑚] = 3,7 ∗ 2.86 = 10.58𝑚𝑚(E 12.5) Se determină grosimea pachetului de tole: 𝑏=

100𝑆𝐹𝑒 2,86 [𝑚𝑚] = 100 ∗ = 11.44 2𝑎 25

9

Electroalimentare 2 - proiect

Se verifică dacă bobinajele încap în fereastra transformatorului, prin verificarea factorului de umplere: 𝑛𝑃 𝑑𝑃2 + 𝑛𝑆 𝑑𝑆2 2882 ∗ 0.0127 + 232 ∗ 0.113 36. ,6 + 26.21 𝐹𝑢 = = = = 0.13 3𝑎2 468.75 468.75 Dacă Fu < 0,3 (rămâne spaţiu nefolosit în fereastră) se pot micşora SFe sau a. Dacă Fu > 0,41(bobinajul nu încape în fereastră) se cresc mărimile SFe sau B. Se alege grosimea tolei g = 0,35mm şi rezultă numărul de tole: 𝑛𝑟𝑡𝑜𝑙𝑒 =

𝑏 𝑔

=

11.44 0.35

= 32.6 ≅ 33𝑡𝑜𝑙𝑒

10

Electroalimentare 2 - proiect

3. Sursă de alimentare stabilizată, cu componente discrete 3.1. Stabilizator parametric cu tranzistor serie Stabilizatoarele de tensiune controlează și reglează în mod continuu nivelul tensiunii de ieșire. Componenta principală este elementul regulator serie (ERS) care este elementul de execuţie al schemei. Este format dintr-un tranzistor sau grup de tranzistoare bipolare și are următoarele roluri:  menţine tensiunea de ieşire la nivelul specificat, sub controlul amplificatorului de eroare;  furnizează curentul de ieşire;  reduce sau blochează curentul la ieşire la acţionarea circuitelor de protecţie;  micşorează rezistenţa serie a stabilizatorului. Pentru configurația serie se folosește un tranzistor bipolar în serie cu sarcina, cu rolul de a amplifica curentul furnizat de un stabilizator parametric simplu, realizat de obicei cu o diodă zener. Funcţionarea unui stabilizator parametric se bazează pe capacitatea diodei Zener de a menţine tensiunea constantă la bornele sale într-un domeniu dat (numit domeniu de stabilizare). Performanţele de stabilizare a tensiunii de ieşire, asigurate de un astfel de stabilizator, sunt strict determinate de caracteristica tensiune-curent a diodei folosite.

Rezistența RB are rol de limitare a curentului prin dioda zener (rezistență de balast) și de polarizare a bazei tranzistorului. 3.2. Stabilizator cu reacție cu tranzistor serie Stabilizatorul cu reacţie se bazează pe utilizarea unei scheme de amplificator cu reacţie negativă. În acest caz tensiunea de ieşire se menţine constantă printr-un proces de reglare automată la care tensiunea de ieşire sau o fracţiune din ea se compară cu o tensiune de referinţă. Semnalul diferenţă, numit şi de eroare, este

Electroalimentare 2 - proiect

11

amplificat şi comandă elementul regulator serie pentru a restabili valoarea prescrisă a tensiunii de ieșire. Stabilizatoarele de tensiune realizate cu amplificatoare operaţionale (AO) sunt stabilizatoare cu componente discrete la care ca amplificator de eroare se foloseşte un amplificator operaţional în configuraţie ne-inversoare. Pe intrarea ne-inversoare se aplică tensiunea de referinţă, obţinută de la un stabilizator parametric, iar pe intrarea inversoare se aplică o fracţiune din tensiunea stabilizată, obţinută de la un divizor al tensiunii de ieşire. AO având amplificarea în buclă deschisă foarte mare, lucrează astfel încât potenţialul bornei inversoare să fie mereu egal cu cel al bornei ne-inversoare. Orice abatere a tensiunii de ieşire care determină o dereglare a acestei egalităţi înseamnă apariţia unei tensiuni diferenţiale, de o anumită polaritate, în funcţie de sensul de variaţie a tensiunii de ieşire (creştere sau micşorare).

De exemplu, o scădere a tensiunii de ieşire determină apariţia unei tensiuni diferenţiale pozitive, care înseamnă o creştere a curentului de ieşire al AO, faţă de situaţia anterioară modificării tensiunii de ieşire. In acest fel creşte şi intensitatea curentului de comandă în baza tranzistorului regulator. Ca urmare tensiunea colector-emitor a acestuia scade iar tensiunea de ieşire revine la valoarea U0. Alegerea amplificatorului operațional Amplificatorul operațional este unul de uz general și se va alege astfel încât să poată fi alimentat cu tensiunea UC min de la intrarea stabilizatorului. Aleg amplificatorul operational AD704JNZ cu o tensiune de alimentare intre 436v.

12

Electroalimentare 2 - proiect

Alegerea tranzistorului Căderea de tensiune pe tranzistor între colector și emitor, atunci când acesta se află în saturație se va considera a fi 𝑈𝐶𝐸 𝑠𝑎𝑡 = 0,5𝑉 = 𝑈𝑠𝑡𝑎𝑏 . Prin urmare, ținând cont de variațiile tensiunii de rețea se determină: 𝑈𝐶 𝑚𝑖𝑛 = 𝑈0 + 𝑈𝑠𝑡𝑎𝑏 = 19,5 + 0.5 = 20𝑉 𝑈𝐶 𝑚𝑎𝑥 = 𝑈𝐶 𝑚𝑖𝑛 + 25%𝑈𝐶 𝑚𝑖𝑛 = 20 + 25%20 = 25𝑉 Pentru a putea alege tranzistorul din componența elementului regulator serie avem nevoie de trei parametri: 𝑈𝐶𝐸0 = 𝑈𝐶 𝑚𝑎𝑥 − 𝑈0 = 25 − 19,5 = 5,5𝑉 𝐼𝐶 𝑚𝑎𝑥 = 𝐼0 = 95𝑚𝐴 𝑃𝐷 𝑚𝑎𝑥 = 𝑈𝐶𝐸0 ∙ 𝐼𝐶 𝑚𝑎𝑥 = 5,5 ∗ 95 ∗ 10−3 = 0,522𝑊 Folosesc tranzistorul NPN BC546A care este cel mai apropiat pentru valorile mele,curentul de colector este de 100mA iar puterea de 0,500W.

Alegerea diodei zener Pentru acest tip de stabilizator, valoarea tensiunii de stabilizare a diodei zener se alege astfel încât să fie mai mică decât tensiunea de ieșire U0. Diodele Zener cu tensiuni sub 5 V, au un coeficient de variaţie al tensiunii cu temperatura, de valoare negativă, iar cele peste 6 V, au coeficient pozitiv. Prin urmare, dacă este posibil, pentru a obține o stabilitate mai bună a tensiunii cu temperatura, se va alege o diodă zener în plaja de tensiuni 5...6V. Aleg o dioda Zener cu tensiunea de 5,6V cu o putere disipata de 5W, iar curentul Zener fiind de 220mA .Model: 1N5339BRLG Calculul rezistențelor Rezistența R1 are rol de limitare a curentului prin dioda zener (rezistență de balast). Valoarea ei se calculează cu următoarea formulă (considerând curentul absorbit de intrarea ne-inversoare ca fiind neglijabil):

13

Electroalimentare 2 - proiect

𝑅1 =

𝑈𝐶 𝑚𝑖𝑛 − 𝑈𝑍 20 − 5,6 = = 116,36 𝐼𝑍𝑚 0.220

unde IZm este curentul minim prin dioda zener (din foaia de catalog).

Se calculează curentul maxim prin diodă și puterea maximă disipată de aceasta, atunci când tensiunea de la intrare are valoarea maximă: 𝐼𝑍 𝑚𝑎𝑥 =

𝑈𝐶 𝑚𝑎𝑥 − 𝑈𝑍 (25 − 5,6) = = 0,166𝐴 < 𝐼𝑍𝑀 = 220𝑚𝐴 𝑅1 116,36

𝑃𝐷𝑍 = 𝑈𝑍 ∙ 𝐼𝑍 𝑚𝑎𝑥 = 5,6 ∗ 0,166 = 0,92 < 𝑃𝑚𝑎𝑥 = 5,88 , unde IZM este curentul maxim prin diodă, Pmax este puterea maximă pe diodă, acestea găsindu-se în foaia de catalog a acesteia. Dacă cel puțin una din condiții nu este verificată se alege o diodă zener de putere mai mare și se refac calculele anterioare. Condiția de echilibru a stabilizatorului, când tensiunea de ieșire are valoarea U0 este: 𝑈+ = 𝑈− Tensiunea pe intrarea ne-inversoare este 𝑈+ = 𝑈𝑍 , iar tensiunea pe intrarea inversoare este tensiunea de pe rezistența R3 ce se obține din formula divizorului de tensiune: 𝑈− = 𝑈0 Rezultă, deci:

𝑅3 𝑅2 + 𝑅3

14

Electroalimentare 2 - proiect

𝑈0 = (1 +

𝑅2 )𝑈 𝑅3 𝑍

Se consideră curentul prin divizorul de tensiune ca fiind 𝐼𝐷 =

𝐼0 100

=

95 100

=

0,95𝑚𝐴, ce traversează ambele rezistențe (curentul absorbit de intrarea inversoare este neglijabil). Rezultă, astfel: 𝑅2 + 𝑅3 = 𝑈0 = (1 +

𝑈0 19,5 = = 20,52 KΩ => R2 = 20,52 − R3(1) 𝐼𝐷 0,95

𝑅2 𝑈0 𝑅2 19,5 𝑅2 𝑅2 −1= => −1= => 2,48 = (2) ) 𝑈𝑍 => 𝑅3 𝑈𝑍 𝑅3 5,6 𝑅3 𝑅3

𝐷𝑖𝑛 1 𝑠𝑖 2 => 20,52 − 𝑅3 = 2,48𝑅3 => 𝑅3 = 5,89𝐾Ω => R2 = 14,63

Din cele două relații se determină valorile rezistențelor R2 și R3. 3.3. Configurația Darlington Stabilizarea tensiunii la ieșire se menține atâta timp cât amplificatorul operațional este capabil să furnizeze curentul necesar polarizării elementului regulator serie.

Se va calcula IB folosind formula: 𝐼𝐵 =

𝐼𝐶 𝐼0 95 ≅ = = 0,86 𝛽𝑇1 𝛽𝑇1 110

ImaxA0=150mA=> nu necesita Darlington Factorul de amplificare 𝛽𝑇1 se alege din foaia de catalog a tranzistorului, la valoarea minimă din domeniul specificat. Dacă IB este mai mare decât curentul maxim de ieșire al AO, putem micșora acest curent de bază necesar cu ajutorul unui etaj Darlington.

15

Electroalimentare 2 - proiect

Cel de-al doilea tranzistor se alege folosind aceleași trei condiții: 𝑈𝐶𝐸0 = 𝑈𝐶 𝑚𝑎𝑥 − 𝑈𝐵𝐸 𝑇1 − 𝑈0 𝐼𝐶 𝑚𝑎𝑥 =

𝐼0 𝛽𝑚𝑖𝑛 𝑇1

𝑃𝐷 𝑚𝑎𝑥 = 𝑈𝐶𝐸0 ∙ 𝐼𝐶 𝑚𝑎𝑥 În această situație, curentul de bază al ERS va fi curentul de bază al tranzistorului T2: 𝐼0

𝐼𝐵 𝐸𝑅𝑆 = 𝐼𝐵 𝑇2 =

𝐼0 𝛽𝑚𝑖𝑛 𝑇1 = 𝛽𝑚𝑖𝑛 𝑇2 𝛽𝑚𝑖𝑛 𝑇1 ∙ 𝛽𝑚𝑖𝑛 𝑇2

3.4. Radiatorul Radiatorul are rolul de a disipa căldura disipată de elementul regulator serie. Circuitul termic al puterii disipate de tranzistor, de la nivelul joncțiunii și până când căldura este degajată în mediul ambiant este reprezentat în figura de mai jos.

Parametrii principali care influenţează transferul de căldură sunt:

16

Electroalimentare 2 - proiect

   

Rth j-c: rezistenţa termică de transfer între joncţiune şi capsulă. Rth c-r: rezistenţa termică de transfer între capsulă şi radiator. Rth r-a: rezistenţa termică de transfer între radiator şi mediul ambiant. Rth j-a: rezistenţa termică de transfer între joncţiune şi mediul ambiant.

PDmax este puterea maximă disipată de tranzistorul de putere al ERS. Se va folosi un radiator din tablă de aluminiu de grosime d (1...10mm). TJmax (temperatura maximă a joncţiunii) şi Rth j-c se vor găsi în foaia de catalog a tranzistorului de putere ales. Temperatura mediului ambiant va fi între 15...30°C. 𝑅𝑡ℎ 𝑗−𝑎 = 𝑅𝑡ℎ 𝑐−𝑟 =

𝑇𝐽𝑚𝑎𝑥 𝑇𝑎𝑚𝑏

200 … 275 𝐴𝐶

𝑅𝑡ℎ 𝑗−𝑎 = 𝑅𝑡ℎ 𝑗−𝑐 + 𝑅𝑡ℎ 𝑐−𝑟 + 𝑅𝑡ℎ 𝑟−𝑎 ⟹ 𝑅𝑡ℎ 𝑟−𝑎 Aria radiatorului se află din formula: 1

𝐴 = 650𝑚

4

𝑅𝑡ℎ 𝑟−𝑎 − 33

√𝑚 √𝜆𝑑

[𝑐𝑚2 ],

unde m este un coeficient de culoare şi poziţie a radiatorului, iar λ este conductivitatea termică (210W/ºC pentru aluminiu şi 280W/ºC pentru cupru). Coeficientul m se alege din următorul tabel: Poziţie: Culoare: m

naturală 1

Orizontală neagră 0,5

naturală 0,85

Verticală neagră 0,43

În funcţie de tipul capsulei tranzistorului de putere din ERS se va determina aria suprafeţei de contact dintre capsulă şi radiator (AC) în mm2. 3.5. Elemente de protecţie

17

Electroalimentare 2 - proiect

Protecţia la supracurenți Este realizată prin intermediul siguranţelor fuzibile F1, F2, F3 şi F4. Dacă aparatul lucrează cu conductor de împământare se vor amplasa siguranţe pe ambele fire de alimentare. F1 şi F2 sunt conectate în primarul transformatorului şi au valoarea de 1,5Ip, unde Ip este curentul nominal din primarul transformatorului. F3 protejează la supracurent toate elementele conectate în secundarul transformatorului. Valoarea ei va fi de 1,5I0. Siguranţele vor fi de tip lent. F4 este o siguranţă ultrarapidă inserată pentru a decupla alimentarea stabilizatorului în cazul în care este acţionată protecţia cu tiristor. Valoarea ei va fi de 1,5I0. Protecţia la supratensiune Se realizează pentru intrare şi pentru ieşire, iar supratensiunile ce pot apare pot fi de durată, sau scurte (impuls). Protecţia la impulsuri scurte pe intrare se face cu filtrul R4C2. Dioda D6 protejează la tensiuni inverse ce pot apare la înserierea mai multor surse, sau datorită unor sarcini inductive. Condensatoarele C4 şi C5 absorb supratensiuni în impuls şi micşorează impedanţa de ieşire a sursei. Pentru frecvenţe joase şi medii protecţia este asigurată de condensatorul electrolitic, iar la frecvenţe înalte, protecţia este asigurată de cel ceramic. Protecţia la supratensiuni în regim permanent se face prin scurtcircuitare şi este asigurată de tiristorul Th. La apariţia unei supratensiuni pe ieşire, dioda D7 din

Electroalimentare 2 - proiect

18

ieşirea stabilizatorului se deschide şi amorsează tiristorul, scurtcircuitând punctul de intrare în stabilizator şi distrugând fuzibilul F4 datorită supracurentului produs. Amorsarea la impulsuri foarte scurte de tensiune a tiristorului este împiedicată de filtrul R5C3. Condiţiile pentru alegerea tiristorului sunt: 𝑈 ≥ 1,1𝑈𝑟𝑒𝑑 = 1,1 ∗ 19,5 = 21.45 { 𝐴𝐾 𝐼𝐴 = 2𝐼0 = 190𝑚𝐴 Tiristor: T95-1000 VGT=3V După alegerea tiristorului se găsi în foaia de catalog a acestuia valoarea tensiunii de amorsare VGT. În funcție de aceasta se va alege dioda zener: 1N5357B Cu o tensiune maxima de 20V, puterea 5W 𝑈𝐷7 ≅ 1,2(𝑈0 − 𝑉𝐺𝑇 ) = 1,2(19,5 − 3) = 19,8(tens max) Filtrul R4C2 va avea valorile: R4 = 47 [] C2 = 100 [nF] Filtrul R5C3 va avea valorile: R5 = 220 [] C3 = 100 [μF] Dioda D6 se alege astfel încât VRRM > U0 şi ID > I0. Dioda D6 are VRRM=75 ID=100mA model: 1N4148WT Condensatorul C4 este de 470 [μF]. Condensatorul C5 este de 0,1 [μF].

Electroalimentare 2 - proiect 19

Schema electrica:

X2

X1 FUSE

FUSE

C2 100nF

R4 47Ω

T1

10:1

X3

D1

1BH62

D2

FUSE

1BH62

D4 1BH62

D3 1BH62

X4 FUSE

S1

C1 R1 0.43µF120Ω

C3 100µF

D5 1N5339BRLG

R5 47Ω

U1

Q1 BC546BP

OPAMP_5T_VIRTUAL

R2 15kΩ

R3 6kΩ

C4 470µF

D7 1N5357BG

C5 0.1µF

D6 1N4148

V

V: -V(p-p): -V(rms): -V(dc): -V(f req): --

PR1

20

Electroalimentare 2 - proiect

21

Electroalimentare 2 - proiect

4. Stabilizator de tensiune cu circuit integrat LM723

Regulatorul de tip 723 a fost primul circuit integrat analogic (liniar) destinat stabilizatoarelor de tensiune. Cu ajutorul circuitului integrat LM723 se pot realiza stabilizatoare de putere mică fără alt tranzistor extern sau de putere medie.Folosirea tranzistorului extern este obligatorie pentru un curent de sarcină mai mare de cca 800mA,(curentul maxim al circuitului integrat fiind de 150mA).Totuși și în cazul curenților de sarcină mai mici decât acesta, este necesar să se calculeze puterea disipată în situația cea mai defavorabilă pe circuitul integrat, pentru a se stabili dacă el se poate utiliza fără tranzistor extern. Mărimile limită și caracteristice principale ale acestuia sunt :  tensiunea maximă de intrare (între V+ și masă):

ViMAX=40V

 tensiunea minimă de intrare:

Vimin=9,5V

 tensiunea maximă între intrările amplificatorului și masă:

+2V

 tensiunea maximă între intrările amplificatorului și masă:

+7V

 tensiunea diodei Zener (numai la capsula TO-116):

7,3±0,4V

 curentul maxim de ieșire :

IsMAX=150mA

 curent maxim de încărcare a ieșirii de referinţă:

15mA

 temperatura maximă a joncțiunilor:

tjMAX=150°C

 rezistența termică joncțiune-mediu ambiant:

 Rthja=200°C/W

 puterea dispată maximă la temperatura mediului de 20°C:

 PdMAX25=625mW /

 tensiunea de referință:

 Vref=7,15±0,2V

 gama temperaturii mediului pentru funcționarea normală:

 55...+125°C.

 curentul consumat fără sarcină: la tamb=30°C:

 𝑅5 = 208[Ω] => 𝑅4 = 15𝑘 − 208 = 14.792[𝑘Ω] unde Idp = 1.5 mA reprezintă curentul prin divizorul de protecţie. Pentru ca Ilim și Isc să ramană aproximativ constanţi la modificarea tensiunii Vsmax la Vsmin, e necesar ca valorile rezistoarelor R4, R5 să fie modificate simultan de la valorile rezultate mai sus până la valorile: 𝑉𝑠 𝑚𝑖𝑛 + 𝑉𝑝 𝑅4 𝑅5 𝑚𝑖𝑛 = ∗ 𝑅4 ș𝑖 𝑅4 𝑚𝑖𝑛 = 𝑅5 𝑚𝑖𝑛 ∗ , 𝐼𝑙𝑖𝑚 ∗ 𝑅𝑝 − 𝑉𝑝 𝑅5 ceea ce este complicat În cazul când R4, R5 se lasă nemodificate, pentru tensiunea Vsmin curentul Isc nu se modifică iar limitarea are loc la curentul : 𝐼𝑙𝑖𝑚 𝑚𝑖𝑛 =

𝑉𝑠𝑚𝑖𝑛 ∗𝑅4 𝑅𝑝 𝑅5

+ 𝐼𝑠𝑐 ∗

𝑉𝑝 𝑉𝑝𝑚𝑖𝑛

,

care deseori este acceptabil, nefiind depărtat prea mult de Ilim.

27

Electroalimentare 2 - proiect

Se alege curentul prin divizorul tensiunii Vs=19.5V, Id=0.95mA și se utilizează sistemul de ecuaţii următor: Vs 19.5 = = 20.52 Id 0.95 0,8 ∗ P + R 2 7,35 = = 0.37 0,8 ∗ P + R 2 + R1 Vs R2 6,95 = = 0,35 Vs { 0,8 ∗ P + R 2 + R1 R1 + P + R 2 =

P = 470 [Ω] R1 = 12.88 [kΩ] R 2 = 7.17 [kΩ] P = 470 [Ω] iar valorile standard: {R1 = 13 [kΩ] R 2 = 7.5[kΩ] R 3 = (R1 + 0,5 ∗ P)||(R 2 + 0,5 ∗ P) = (13k + 0.5 ∗ 470)||(7.5k + 0.5 ∗ 470) (13 ∗ 103 + 0,5 ∗ 470) ∗ (7.5 ∗ 103 + 0,5 ∗ 470) = = 4.88kΩ (13 + 7.5) ∗ 103 + 470 ≅ 5.1 [kΩ] Condensatorul electrolitic de la ieșire se adoptă de valoarea C1 = 47μF/25V, iar condensatorul ceramic CC = 47 nF. Redresorul se va dimensiona pentru un curent maxim de 95mA. Rezistenţa internă la curent maxim trebuie sa fie de ordinul Rmax=VRmax/IMAX=28,73/95=30,24 kΩ. La variaţia tensiunii de intrare în domeniul dat, în cazul unui curent de sarcina maxim, tensiunea pe sarcina se modifică cu cca 1,5 mV la o modificare a curentului de sarcina de la 0 la 75 mA, tensiunea pe sarcina se modifică cu mai puţin de 30 mV .

28

Electroalimentare 2 - proiect

Schema electrica:

29

Electroalimentare 2 - proiect

5. Sursă de alimentare stabilizată în comutație 5.1. Accesul la WEBENCH® Power Architect Pentru proiectarea unei surse stabilizate în comutație se va utiliza aplicația online WEBENCH® Power Architect creată de compania Texas Instruments. Înainte de accesarea aplicației este necesară crearea unui cont de utilizator pe situl www.ti.com dând clic pe my.TI Login în colțul din dreapta sus al paginii.

Pentru a porni aplicația se accesează următoarea http://www.ti.com/ww/en/analog/webench/power_architect.shtml

adresă:

Se completează cerințele sursei ce trebuie proiectată și se dă clic pe Start Design (sau pe Show Recommended Power Management ICs, dacă după încărcarea aplicației se dă clic pe butonul

).

30

Electroalimentare 2 - proiect

5.2. Fereastra Visualizer Pe baza cerințelor sursei, în fereastra următoare sunt afișate următoarele:  Soluțiile găsite de aplicație. În acest tabel sunt afișate detalii despre circuitul integrat utilizat, amprenta totală (spațiul ocupat) a componentelor electronice din schema sursei, costul total al sursei (BOM – Bill Of Materials), randamentul sursei, numărul de componente, frecvența de funcționare ș.a. Dacă se dă clic pe numele circuitului integrat se poate accesa pagina de internet a acestuia, unde se găsește și foaia de catalog.

31

Electroalimentare 2 - proiect

 Graficul Randament vs. Amprentă vs. Cost în care sunt reprezentate pe axa y dimensiunea amprentei, pe axa x randamentul sursei, iar dimensiunea cercului reprezentând costul. Pentru a obține o sursă eficientă și cât mai mică fizic este bine să se aleagă dintre cele aflate în zona verde din colțul din dreapta-jos al graficului. Selectarea uneia din surse se poate face direct din grafic, dând click pe cercul acesteia.

 Uneltele pentru filtrarea soluțiilor.

32

Electroalimentare 2 - proiect

WEBENCH Optimizer permite adaptarea soluțiilor în funcție de cea mai importantă caracteristică a acesteia, alegându-se fie o amprentă mică a sursei, fie cel mai mic cost, fie un randament ridicat. Change Inputs permite modificarea cerințelor sursei. Feature Filters filtrarea soluțiilor propuse de aplicație în funcție de diverși parametri ai circuitelor integrate utilizate. Filter Results permite filtrarea soluțiilor propuse prin selectarea unui domeniu țintă al unor caracteristici cheie ai surselor (randament, amprentă, cost, număr de componente, frecvență ș.a.). După ce se alege una din soluțiile propuse se dă clic pe butonul corespunzător. 5.3. Fereastra Summary În fereastra următoare sunt afișate următoarele:  Optimization Tuning permite adaptarea soluției în funcție una din cele trei caracteristici considerată cea mai importantă.

 Charts permite realizarea de grafice în funcție de curentul de ieșire și valorile minimă, medie și maximă a tensiunii de intrare. Dând clic în această fereastră se pot vizualiza graficele selectate (cele inițiale). Pentru a vizualiza alte grafice se dă clic pe butonul se bifează în listă graficele dorite, apoi se dă clic pe Save.

și

33

Electroalimentare 2 - proiect

 Schematic permite vizualizarea schemei sursei, cu valorile tuturor componentelor. Acestea pot fi schimbate dând click pe componenta dorită, apoi pe butonul Edit și se alege o alta din lista afișată.

34

Electroalimentare 2 - proiect

 Operating Values afișează o listă cu parametrii de funcționare ai sursei, pentru punctul de operare selectat (tensiune de intrare și curent de ieșire).

 Bill of Materials afișează lista completă a componentelor electronice folosite în schemă, împreună cu detaliile importante ale acestora.

Electroalimentare 2 - proiect

35

Ferestrele prezentate pot fi accesate și cu ajutorul butoanelor din partea de sus.

Aplicația permite și efectuarea de simulări electrice și termice, precum și tipărirea sau exportarea schemei sursei în diferite formate CAD. 5.4. Mod de lucru 1) Se introduc datele de pornire calculate în tema proiectului. 2) Se alege una din soluțiile propuse de aplicație prin selectarea ei din zona verde (cea mai mică și mai eficientă), cu aprobarea îndrumătorului de proiect. 3) Se vor include în proiect schema sursei, graficele pentru eficiența sursei, puterea de ieșire și puterea disipată maximă, tabelul cu valorile parametrilor de funcționare ai sursei, tabelul cu lista de componente electronice folosite în sursă, împreună cu detaliile importante ale acestora. 4) Din foaia de catalog a circuitului integrat utilizat se vor extrage (și traduce) descrierea acestuia, schema bloc internă, mod de funcționare, tipuri de protecții, formule de calcul pentru componentele electronice utilizate în schemă.

Electroalimentare 2 - proiect

36

Sursa de alimentare in comutatie Schema electrica

Grafice -

Graficul de Eficiență (Efficiency) Graficul pentru durata de lucru a sursei (Duty cycle) Graficul de Putere iesire(Pout) Graficul de Putere disipata maxima(Total Pd)

37

Electroalimentare 2 - proiect

Valorile parametrilor de funcționare ai sursei

Lista componentelor

38

Electroalimentare 2 - proiect

Test de simulare a temperaturii PCB-ului

39

Electroalimentare 2 - proiect

Valorile tensiunilor la functionare Categori: Op_Point

Current

40

Electroalimentare 2 - proiect

General

Power

41

Electroalimentare 2 - proiect

LM25117 Descriere: Lm25117 este folosit in aplicatii regulatoare step-down, de la un voltaj mare sau de la un input supply foarte variat. Metoda de control este bazata pe modelul curent de control folosind o rampa de curent emulata. Modul de curent control ofera linii inerente de alimentar inainte, limitare de curent ciclu cu ciclu si usurinta de compensare bucla. Utilizarea unei rampe de control emulate reduce senzitivitatea zgomotului a circuitului de modulare puls-latime, care sa permita un control fiabil al ciclurilor de functionare foarte mici necesare in aplicatii cu tensiune de intrare inalta. Frecventa de operare este programabila de la 50kHz pana la 750 kHz. Lm25117 controleaza intrerupatoare de putere NMOS externe high-side si low-side cu control adapativ asupra timpului mort. Un mod de emulare al diodei, selectabil de catre utilizator, permite modul de operare discontinuu pentru o mai buna eficienta la conditiile de incarcare usoare. un regulator de polarizare de inalta tensiune, care permite alimentarii cu polarizare externa sa aiba eficienta imbunatatita. Caracteristicile unice analogice de telemetrie ale LM25117 ofera informatii medii ale curentului de iesire. Caracteristici aditionale includ: inchidere termica, sincronizarea frecventei, limita de curent hiccup mode si linia ajustabila de blocare a subtensiunii.

42

Electroalimentare 2 - proiect

Schema Bloc

Moduri de functionare Regulator de pornire pentru tensiune ridicată și dezactivare VCC LM25117 conține un regulator intern de tensiune de înaltă tensiune care furnizează aportul de polarizare VCC pentru controlerul PWM și componentle cu poartă NMOS.PIN-ul VIN poate fi conectat la o intrare de tensiune de pana la 42V. UVLO(Blocaj la sub tensiune) LM25117 conține un nivel dual UVLO (blocaj la sub tensiune). Când tensiunea UVLO este mai mica de 0,4V, LM25117 este în modul de oprire. Comparatorul de oprire oferă 100mV de histerezis pentru a evita fluctuatiile de tensiune în timpul tranzițiilor. Când tensiunea pinului UVLO este mai mare decât 0.4V, dar mai puțin de 1,25 V, controlerul este în modul de așteptare.

43

Electroalimentare 2 - proiect

Analizor de eroare și comparator PWM Amplificatorul intern de eroare cu câștig mare generează un semnal de eroare proporțional cu diferența dintre tensiunea pinului FB si referința internă de precizie de 0,8V.In cazul unei erori amplificatorul este conectat la pinul COMP care permite utilizatorului utilizatorului sa folosesaca componentele de compensare a buclelor tip 2, RCOMP,CCOMP și opțional CHF. Protectii:

Ciclu de lucru maxim Atunci când funcționează cu un ciclu de funcționare PWM ridicat, partea superioară a dispozitivul NMOS este forțat în afara fiecărui ciclu de 320ns pentru a se asigura că CHB este reîncărcat și pentru a permite timp pentru a eșantiona și menținerea curentului în NMOS FET low-side.. Protecție termică Sunt utilizate circuite interne de închidere termică pentru protejarea controlerului în cazul în care temperatura maximă de joncțiune este depășita. Când este activat, de regulă la 165 ° C, controlerul este forțat într-un mod de oprire , dezactivând ieșirea și regulatorul VCC. Această caracteristică este concepută pentru a preveniți supraîncălzirea și distrugerea dispozitivului. Calculul parametri: Valorile rezistentelor RUV1 si RUV2: Ruv2=Vhys/20 µA Ruv1=1.25V* Ruv2/(Vin-1.25V) Oscilatorul si sincronizarea: RT=5,2*109/fsw-948 Pentru selectia RRAMP si CRAMP se foloseste o constanta k ce este definita ca si : K=L0/ (RRAMP* CRAMP*RS*AS)