Návrh napájacieho zdroja vysielaþa DIPLOMOVÁ PRÁCA MILAN KARDOâ äILINSKÁ UNIVERZITA V äILINE Elektrotechnická fakulta Katedra telekomunikácií âtudijný odbor: RÁDIOKOMUNIKÁCIE Vedúci diplomovej práce: doc. Ing. Rudolf Hronec PhD. StupeĖ kvalifikácie: inåinier (Ing.) Dátum odovzdania diplomovej práce: 19. máj. 2006 äILINA 2006
76
Embed
Návrh napájacieho zdroja vysiela þ a - diplom.utc.skdiplom.utc.sk/wan/665.pdf · ORCAD a tieå praktickým meraniam na danom zdroji. V tejto kapitole som sa V tejto kapitole som
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Návrh napájacieho zdroja vysiela a
DIPLOMOVÁ PRÁCA
MILAN KARDO
ILINSKÁ UNIVERZITA V ILINE
Elektrotechnická fakulta
Katedra telekomunikácií
tudijný odbor: RÁDIOKOMUNIKÁCIE
Vedúci diplomovej práce: doc. Ing. Rudolf Hronec PhD.
Stupe kvalifikácie: in inier (Ing.)
Dátum odovzdania diplomovej práce: 19. máj. 2006
ILINA 2006
AbstraktTáto diplomová práca sa zaoberá návrhom sie ového spínaného napájacieho
zdroja, ktorý je ur ený pre vysokofrekven ný zosil ova .
V prvej kapitole sa zaoberám problematikou napájania vf zosil ova ov, ale
aj iných zariadení. Taktie sa tu sna ím priblí výhody a nevýhody lineárnych
a spínaných zdrojov.
Druhá kapitola je venovaná problematike spínaných napájacích zdrojov.
Zaoberám sa tu jednak samotným princípom spínaného zdroja, jednotlivými
elektronickými sú iastkami, ktoré sú pou ívané v týchto zdrojoch a taktie
ZOZNAM OBRÁZKOV A TABULIEK StranaObr. 3.1 Bloková schéma lineárneho sie ového napájacieho zdroja ...................... 4Tabu ka 3.1 Porovnanie lineárnych a spínaných zdrojov ...................................... 6Obr. 4.1 Bloková schéma spínaného napájacieho zdroja.........................................7Obr. 4.2 Konvertor typu Buck..................................................................................9Obr. 4.3 Konvertor typu Boost............................................................................... 10Obr.4.4 Konvertor typu Buck – Boost.................................................................... 11Obr. 4.5 Synchrónny usmer ova ............................................................................12Obr. 4.6 Porovnanie feritových jadier pou ívaných v asymetrických.....................14 a symetrických konvertorochObr. 4.7 Aplikácia filtra ného kondenzátora na výstupe spínaného zdroja ........... 18Obr. 4.8 Priebehy napätia a prúdu na filtra nom kondenzátore na výstupe ............18
spínaného zdrojaObr. 4.9 Priebehy napätia a prúdu na akumula nom kondenzátore ....................... 18Obr. 4.10 Príklad zapojenia impulzného kondenzátora........................................... 19Obr. 4.11 Priebehy napätia a prúdu na impulzne vybíjanom kondenzátore ........... 19Obr. 4.12 Pripojenie útlmového kondenzátora k dióde D....................................... 20Obr. 4.13 Priebehy napätia a prúdu na útlmovom kondenzátore............................ 20Obr. 4.14 Zapojenie komuta ných kondenzátorov (jedna z mo ných variant)....... 21Obr. 4.15 Priebehy napätia a prúdu na komuta nom kondenzátore ....................... 21Obr. 4.16 Konvertor typu Flyback – tranzistor zopnutý......................................... 22Obr. 4.17 Konvertor typu Flyback – tranzistor rozopnutý...................................... 22Obr. 4.18 Konvertor typu Forward.......................................................................... 24Obr. 4.19 Konvertor Forward s dvoma tranzistormi............................................... 25Obr. 4.20 Konvertor typu Push – pull..................................................................... 27Obr. 4.21 Konvertor typu Half – Bridge..................................................................29Obr. 4.22 Konvertor typu Full – Bridge.................................................................. 30Obr. 4.23 Zapojenie zdroja s impulzovou írkovou moduláciou............................. 32Obr. 4.24 Priebehy napätia v zdroji s impulzovou írkovou moduláciou............... 32Obr. 5.1 Vstupný usmer ova ................................................................................ 34Obr. 5.2 Vstupný filter............................................................................................ 35Obr. 5.3 Spína ........................................................................................................ 36Obr. 5.4 Transformátor............................................................................................ 36Obr. 5.5 Výstupný usmer ova .............................................................................. 37Obr. 5.6 Výstupný filter.......................................................................................... 37Obr. 5.7 Prvá as spätnej väzby............................................................................. 38Obr. 5.8 PWM regulátor UC 3845..........................................................................39Obr. 5.9 Driver IR 2110 v spojení s tranzistormi.................................................... 40Obr. 5.10 Lineárne napájacie zdroje integrovaných obvodov................................. 41
a bootstrapového kondenzátoraObr. 6.1 Priebeh napätia z výstupu PWM regulátora bez regulácie....................... 46Obr. 6.2 Pílovitý signál generovaný PWM regulátorom......................................... 46Obr. 6.3 Odsimulovaný priebeh napätia na tranzistore VT2.................................. 47Obr. 6.4 Nameraný priebeh napätia na tranzistore VT2.......................................... 47Obr. 6.5 Priebeh simulovaného primárneho ( ervený priebeh).............................. 48
a sekundárneho (zelený priebeh) napätia transformátoraObr. 6.6 Priebeh primárneho a sekundárneho napätia transformátora ................... 48
(meranie amplitúdy primáru)Obr. 6.7 Priebeh primárneho a sekundárneho napätia transformátora.................... 49
(meranie amplitúdy sekundáru)Obr. 6.8 Reálny priebeh napätia na dióde VD9....................................................... 49Obr. 6.9 Simulovaný priebeh napätia na dióde VD9............................................... 50Obr. 6.10 Priebeh odsimulovaného napätia na tlmivke L3......................................50Obr. 6.11 reálny priebeh napätia na tlmivke L3.......................................................51Obr. 6.12 Odsimulovaný priebeh kolektorového prúdu tranzistora VT2................ 51Obr. 6.13 Simulácia zvlnenia výstupného napätia.................................................. 52
ZOZNAM POU ITÝCH SKRATIEK A SYMBOLOV
K - inite stabilizácie
RTst - vnútorný odpor stabilizátora
UIN - vstupné napätie
UOUT - výstupné napätie
t1 - doba zopnutia tranzistora
t2 - doba vypnutia tranzistora
s - strieda
B - magnetická indukcia
H - magnetická intenzita
Vf - úbytok napätia v priepustnom smere
UREF - referen né napätie
UPWM - výstupné napätie PWM regulátora
UOSC - napätie oscilátora
UERR - chybové napätie
A - energia
Uind - indukované napätie
SMPS - (Switch Mode Power Supply) – spínaný napájací zdroj
na druhú stranu tranzistorov, znázornené ako D3 a D4 na obr. 4.21. Rozptylová
induk nos a magnetiza ná energia sú nahromadené priamo do dvoch vstupných
kondenzátorov, chrániacich tranzistory pred prierazom a zlep ujú celkovú ú innos .
Men ou výhodou Half - Bridge je, e dva sériové kondenzátory u existujú a táto
realizácia je ideálna pre zavedenie zdvojeného napä ového obvodu. Mostíkové
zapojenie má tie tie isté výhody cez jednoduché kone né rozmery ako Push-pull,
vrátane vynikajúceho vyu itia transformátora, ve mi nízke výstupné zvlnenie
a vysoký výstupný výkon. Obmedzujúcim faktorom maximálneho výstupného
výkonu dosiahnute ného zapojením Half – Bridge je pi kový prúd sú asných
tranzistorov. Pre vy ie výkony sa pou íva zapojenie so tyrmi spína mi ozna ené
ako Full - Bridge.
Potreba dvoch 50/60 Hz vstupných kondenzátorov je nedostatkom, preto e
majú ve kú hodnotu. Vrcholný tranzistor musí ma tie oddelenú cestu, preto e
hradlo/báza je v premenlivom potenciály. Jasne sa zvy uje cena a zlo itos obvodu.
4.7.5 Full – Bridge (mostíkové zapojenie – plný most)
Obr. 4.22 Konvertor typu Full Bridge
Strana 31
Full – Bridge konvertor znázornený na obr. 4.22 je vysoko výkonovou
verziou Half – Bridge a poskytuje najvy iu hladinu výstupných výkonov zo
etkých doteraz prebraných typov konvertorov. Maximálny elektrický prúd
výkonového tranzistora ur uje hornú hranicu výstupného výkonu Half – Bridge
konvertora. Táto úrove mô e by dvojnásobná pou itím konvertora Full – Bridge,
ktorý sa získa pripojením al ích dvoch tranzistorov a záchytných diód ku
konfigurácii Half – Bridge. Tranzistory sú budené striedavo v pároch T1 a T3,
potom T2 a T4. Primárna as transformátora je tu vystavená plnému vstupnému
napätiu. Hladiny prúdu oproti Half – Bridge sú delené pre stanovenú výkonovú
hladinu. Preto Full – Bridge bude zdvojova výstupný výkon Half – Bridge
pou itím tých istých typov tranzistorov. Sekundárny obvod pracuje na tom istom
princípe ako Push – pull a Half – Bridge, taktie produkuje ve mi nízke zvlnenie
výstupu na ve mi vysokých hladinách prúdu. Z tohto dôvodu sú priebehy napätí
a prúdov identické ako u Half – Bridge, na napätie primárnej asti, ktoré je
inne zdvojnásobené.
Ako je uvedené Full – Bridge je ideálny pre výrobu ve mi vysokej hladiny
výstupného výkonu. Prírastok obvodu, zlo itos spôsobuje, e Full – Bridge je
vhodný pre aplikácie výstupných výkonov kW a vy ie. Pre také vysoké
po iadavky na výkon kon trukcie sa asto vyberajú výkonové Darlingtonové
tranzistory, preto e ich horná hranica prúdu a charakteristika spínania zabezpe ujú
al í prídavný výkon. Full – Bridge má tie výhodu, e je potrebný len jeden
vyhladzovací kondenzátor oproti dvom pre Half – Bridge, o etrí miesto. Má aj
al ie ve ké výhody, ktoré sú také isté ako pre Half - Bridge.
4.8 Impulzová írková modulácia
Tento spôsob riadenia spínaného zdroja (v angli tine ozna ovaný ako
PWM = Pulse width modulated) vychádza z porovnávania chybového napätia,
odvodeného z napätia výstupného, s napätím interného oscilátora (obvykle
s pílovým výstupným napätím), obr. 4.23. Zo vstupného napätia je najskôr
odvodzované referen né napätie Uref, privádzané na neinvertujúci vstup zosil ova a
chybového napätia OZ. Na invertujúci vstup toho istého zosil ova a OZ je
Strana 32
privedené vydelené výstupné napätie Uout (nemo no privies plné napätie, preto e
dy platí Uref < UIN ).
Opera ný zosil ova zosiluje odchýlku takto vydelenej asti výstupného napätia od
napätia referen ného a získavame tak analógový signál Uerr . Tento signál potom
porovnávame na komparátore s pílovitým napätím Uosc , ktoré je interne vyrábané
generátorom s ozna ením OSC.
Obr. 4.23 Zapojenie zdroja s impulzovou írkovou moduláciou
Obr. 4.24 Priebehy napätia v zdroji s impulzovou írkovou moduláciou
Výsledkom tohto porovnávania je signál, ktorým je ovládaný spína S, obr. 4.24.
výstup komparátora preklápa tak, e ak je pílové napätie oscilátora vy ie ako
napätie chybové, potom dáva povel – zopni spína S, tj. signál má hodnotu logickej
jedni ky H. Táto logická jedni ka trvá tak dlho, ne sa cez zopnutý spína
S a tlmivku L nezvý i výstupné napätie Uout nato ko, e napätie na odbo ke deli a
R2 - R 1 vzrastie nad hodnotu Uref .
potom komparátor preklápa spä na hodnotu logickej nuly (L) a spína
S rozopína. Tým zdroj priebe ne reaguje na okam itý stav napätia na výstupe
a kondenzátor C je dobíjaní práve na potrebnú hodnotu napätia Uout . Výhoda
proporcionálneho dobíjania kondenzátora C pod a okam itého poklesu napätia na
Strana 33
om je v ak spojená s iasto nou nevýhodou, ktorou je tvar signálu UPWM . Tento
signál má nielen premenlivú frekvenciu, ale aj striedu, tak e následná filtrácia LC
lenom je rôzne ú inná a na výstupe sa mô u objavova zvlnenia, ktorých hodnoty
nemo no dopredu odhadnú – závisia na kolísaní zá e.
5. NÁVRH OPTIMÁLNEHO RIE ENIA
SPÍNANÉHO NAPÁJACIEHO ZDROJA
V tejto kapitole sa u budem zaobera konkrétnym praktickým návrhom spínaného
napájacieho zdroja. Základné po iadavky, ktoré sú kladené na spínaný zdroj, sú:
• napájanie zo siete 230 V / 50 Hz
• výstupné napätie 120 V
• výstupný prúd 10 A
• nízka úrove výstupného zvlnenia
• spektrálna istota v príslu nom frekven nom pásme
Ke e spínaný zdroj predstavuje dos komplikované zapojenie, pri jeho návrhu
som spolupracoval s firmou ELTECO, so sídlom v iline, konkrétne s Úsekom
vývoja a výskumu. Pri tomto návrhu som vychádzal zo základného blokového
zapojenia spínaného zdroja. Preto celé navrhnuté rie enie je mo né rozdeli na
viacero astí, ktorých innos vysvetlím neskôr. Niektoré z týchto astí som navrhol
samostatne, no sú tu aj asti, ktoré som musel konzultova s hore uvedenou firmou.
K dispozícii som mal schému u existujúceho zapojenia podobného spínaného
zdroja, ktorú bolo potrebné upravi a v niektorých astiach celkom prerobi . Toto
prerobenie sa týkalo najmä vstupného napájania spínaného zdroja, napájania
jednotlivých riadiacich integrovaných obvodov a taktie výstupnej filtrácie.
Nemenej dôle itou as ou bol aj výpo et transformátora spínaného zdroja, ktorý
musel ma presne definovaný po et závitov na primárnej a sekundárnej strane.
o sa týka samotnej topológie spínaného zdroja, zvolil som si zapojenie typu
Forward, e priepustný meni , ktorého innos ou a charakteristickými
vlastnos ami som sa zaoberal v kapitole 4.7.2.
Strana 34
V nasledujúcich astiach sa u budem zaobera podrobným rozborom konkrétneho
navrhnutého rie enia, ktoré je uvedené v prílohe . Jednotlivé asti sú rozdelené
pod a blokovej schémy, znázornenej na obr. 4.1. V nasledujúcich statiach sa
pokúsim vysvetli význam týchto astí pre spínaný zdroj a taktie uká em, ako
jednotlivé asti prakticky vyzerajú.
5.1 Schéma zapojenia spínaného zdroja
5.1.1 Vstupný usmer ova
Obr. 5.1 Vstupný usmer ova
Spínaný zdroj je zariadenie, ktoré mení vstupné jednosmerné napätie na iné
výstupné jednosmerné napätie. Ke e navrhnutý spínaný zdroj má by napájaný
priamo zo siete, kde je napätie striedavé, musíme najskôr toto napätie usmerni .
Toto vykonáva vstupný usmer ova , ktorý je znázornený na obr. 5.1. pod
ozna ením D1. Ide o ve mi dobre známi Greatzov mostík. V navrhnutom zapojení
som zvolil typ mostíka ozna ený ako
KBPC 3510, ktorý je schopný usmerni napätie do 1000 V a prúd do 35 A.
Na obr. 5.1 je vidno, e vstupné sie ové napätie je pripojené k vstupnému
usmer ova u cez poistku FU1 a termistory RN1 a RN2. Poistka, ktorá chráni
spínaný zdroj pred skratom, má ozna enie T 10A, e sa jedná o pomalú poistku,
ktorá znesie prúd do 10 A. Termistory RN1 a RN2 slú ia na obmedzenie
nabíjacieho prúdu vstupných filtra ných kondenzátorov. Ich prítomnos je ve mi
dôle itá, preto e v momente pripojenia zdroja ku sieti predstavuje ve ká vstupná
kapacita pre usmernený prúd skrat do zeme.
Strana 35
5.1.2 Vstupný filter
Obr. 5.2 Vstupný filter
Po usmernení vstupného napätia je potrebné, aby bolo dôkladne vyhladené
jeho zbytkové zvlnenie vstupným filtrom. Tento filter musí by dostato ne ú inný
na sie ovej frekvencii 50Hz. Taktie musíme zabezpe odstránenie vy ích
harmonických vstupného napätia, ktoré vznikajú po usmernení. Na vyhladenie
napätia som pou il es kondenzátorov s hodnotou 330 F / 450 V, ozna ených na
obr. 5.2 ako C3A a C3F, e výsledná kapacita je 1980 F, o zabezpe í ve mi
dobré vyhladenie. Zárove tieto kondenzátory slú ia aj ako akumula né a sú
periodicky nabíjané a vybíjané impulzným prúdom, ktorého maximálna hodnota
zna ne prevy uje efektívnu hodnotu. Na obrázku je aj kondenzátor C2, ktorého
ve kos je 100 nF, slú iaci na odstránenie u spomínaných vy ích harmonických.
5.1.3 Spína
Aby sme mohli vstupné jednosmerné napätie transformova , je nutné
previes ho na striedavý tvar. V mojom návrhu sa toto realizuje pomocou dvoch
spínacích tranzistorov typu HGTG 12N60A4D, o sú MOSFET tranzistory so
spínacím prúdom do 54 A a napätím do 600 V. Tieto parametre sú posta ujúce na
spínanie usmerneného sie ového napätia. Sú as ou spína a sú tzv. Bootstrapové
diódy, ktorých funkciu si vysvetlíme neskôr. Na výstupe tohto spína a získame
obd nikový priebeh, ktorý je alej spracovávaný.
Strana 36
Obr. 5.3 Spína
5.1.4 Transformátor
Vlastná transformácia ve kosti napätia prebieha na transformátore, obr. 5.4.
V mojom návrhu som pou il transformátor, ktorý obsahuje dve primárne a jedno
sekundárne vinutie. Tento transformátor je vyhotovený tak, e najskôr sa navinie
prvá as primárneho vinutia, následne sekundárne vinutie a nakoniec druhá as
primáru. Takýto spôsob navinutia transformátora zabezpe í jeho ve mi dobrú
väzbu. Transformátor v tomto zapojení obsahuje na primáry 2 x 18 závitov a na
sekundáry je 32 závitov drôtu o priemere 1.6 mm. Jadro, ktoré som pou il, je
feritové, bez medzery a je tandardizované. Jeho typové ozna enie je ETD 59.
Obr. 5.4 Transformátor
Strana 37
5.1.5 Výstupný usmer ova
Obr. 5.5 Výstupný usmer ova
Striedavé napätie získané zo sekundárneho vinutia transformátora je treba
opätovne usmerni . K tomuto slú i výstupný usmer ova , zobrazený na obr. 5.5.
Na diódy pou ité v tomto usmer ova i sú kladené vysoké po iadavky, preto e
musia vykazova usmer ovací efekt na pracovnej frekvencii spínaného zdroja, o je
v tomto prípade
55 kHz. Znamená to, e musia ma malú kapacitu prechodu a malú spínaciu
a vypínaciu dobu. V mojom návrhu som pou il dve dvojkanálové diódy typu FEP
30 GP, ozna ené ako VD8 a VD9, ktoré doká u usmerni napätia do 400 V a prúdy
do 35 A. Z obr. 5.5 je vidno, e paralelne k týmto diódam sú pripojené sériové
ochranné RC leny, tvorené prvkami R29, R30, C26 a C31. Tieto leny majú za
úlohu utlmi prepä ové pice, ktoré sa pri spínaní vytvárajú. Tieto pice mô u
presahova aj 400 voltovú hranicu, o by mohlo vies k de trukcii diód.
5.1.6 Výstupný filter
Obr. 5.6 Výstupný filter
Na výstupný filter u nie sú kladené také ve ké po iadavky, preto e pracuje
na vysokej frekvencii a jeho filtra né ú inky na tejto frekvencii sú vynikajúce.
V tomto zdroji je výstupný filter tvorený prvkami C32, C34, C35, C36, C38, C39,
Strana 38
C40 a L5, ako to mô eme vidie z obr. 5.6. Tento filter má podobne ako vstupný
zabezpe , aby zvlnenie výstupného napätia bolo minimálne a aby sa na výstupe
neobjavili nejaké ru ivé vy ie harmonické. Celý filter predstavuje zapojenie typu
LC. Cievka, ktorá je tu zapojená sa nazýva diferenciálna tlmivka a má za úlohu
potla parazitné vy ie harmonické frekvencie.
V zapojení na obr. 5.6 sa na výstupe nachádza e te rezistor R31. Tento predstavuje
malé za enie, ktoré je potrebné na to, aby bola napä ová slu ka v spätnej väzbe
pri neza enom zdroji stabilná, e aby sa nerozkmitala.
5.1.7 Spätná väzba
Ka dý spínaný zdroj je riadený spätnou väzbou. Táto sníma ve kos
výstupného napätia, prípadne výstupného prúdu a pomocou riadiacej logiky riadi
spínanie spínacích tranzistorov. Tým sa dosiahne stabilná hodnota jednosmerného
napätia na výstupe zdroja.
Spätná väzba v tomto návrhu sa skladá z troch astí. Prvú z nich mô eme vidie na
obr. 5.7.
Obr. 5.7 Prvá as spätnej väzby
Základným prvkom tohto zapojenia je obvod TL 431, ozna ený na obr. 5.7 ako
NL3. Ide o tzv. nastavite ný precízny regulátor. Tento regulátor obsahuje tri
vývody, a to anódu (A), katódu (K) a referenciu (REF). V prípade, ak na vývod
Strana 39
ozna ený ako REF privedieme napätie minimálne 2.5 V, prechod anóda – katóda sa
stane vodivým. V inom prípade je tento prechod uzatvorený.
Výstupné napätie privádzame priamo do napä ového deli a, pozostávajúceho
z prvkov R26, R27, R28 a RP1. Ak pomocou trimra RP1 na výstupe deli a, e na
referencii, nastavíme hodnotu napätia minimálne 2.5 V, prechod A – K sa stane
vodivým, o znamená, e opto len UF1, napájaný z výstupu zdroja, sa rozsvieti,
ím sa spustí samotná regulácia výstupného napätia. Znamená to, e trimrom RP1
mô eme nastavova hodnotu výstupného napätia v ur itých hraniciach. Zárove
nám opto len zabezpe í galvanické oddelenie výstupného obvodu od vstupného.
Zapojenie obsahuje e te RC lánok, tvorený prvkami C20 a R24. Zmenou týchto
prvkov dosiahneme stabilizáciu napä ovej slu ky, e pri správnej kombinácii
odporu a kapacity dosiahneme na výstupe kon tantné napätie.
Druhou as ou spätnoväzobnej slu ky je samotný PWM regulátor. Ten mô eme
vidie na obr. 5.8.
Obr. 5.8 PWM regulátor UC 3845
Snímané napätie z opto lena, ktorého ve kos závisí na odpore prechodu kolektor –
emitor, privádzame na vstup PWM regulátora VFB. Toto napätie sa v chybovom
zosil ova i porovnáva s referen ným napätím 2.5 V, ktoré si generuje regulátor
sám. Výsledkom je ur ité chybové napätie, ktoré sa potom zasa porovnáva
v komparátore s pílovitým napätím, ktoré si za pomoci prvkov R14 a C18
vygeneruje regulátor. Výsledkom tohto porovnávania je signál PWM, ktorý riadi
Strana 40
spínanie tranzistorov v spínanom zdroji. Tento signál sa nachádza na výstupe PWM
regulátora ozna enom ako OUT a mô eme ho vidie na obr. 4.24. Ve kos
zosilnenia chybového zosil ova a je nastavená pomocou rezistorov R15, R16, R17
a R18.
Na konci spätnoväzobnej slu ky sa nachádza integrovaný obvod IR 2110, ozna ený
ako NL1. Tento obvod sa nazýva driver. Keby sme mali spínaný zdroj s jedným
tranzistorom, pripojili by sme výstup PWM regulátora priamo na jeho bázu.
V tomto zapojení sú v ak tranzistory dva, preto treba zabezpe riedenie oboch
zvlá . A práve na tento ú el nám slú i spomínaný integrovaný obvod. Ten si
mô eme pozrie na obr. 5.9.
Obr. 5.9 Driver IR 2110 v spojení s tranzistormi
Výstupné impulzy z drivera sú privedené cez rezistory R3 a R6 na bázy spínacíchtranzistorov, ktorých d ka dôb zopnutia a vypnutia závisí na tvare privádzanýchimpulzov..
5.1.8 Napájanie obvodov jednosmerným napätím
V návrhu spínaného zdroja sú pou ité dva integrované obvody, a to UC 3845 a IR
2110. Oba tieto obvody pre svoju správnu innos vy adujú jednosmerné napájanie
+ 15 V. Okrem nich sa v zapojení nachádza aj tzv. bootstrapový kondenzátor C6,
znázornený na obr. 5.9, na ktorom musíme takisto zabezpe jednosmerné napätie,
Strana 41
ktorým bude tento kondenzátor dobíjaný. Jednosmerné napätie musíme taktie
zabezpe aj na anóde opto lena, ktorý bude týmto napätím rozsvecovaný.
Napájanie oboch integrovaných obvodov a bootstrapového kondenzátora som
vyrie il pridaním al ích dvoch lineárnych zdrojov do celkového zapojenia. Prvý
zdroj som pou il na napájanie regulátora UC 3845 a drivera IR 2110. Druhý zasa
napája bootstrapový kondenzátor C6. Oba tieto zdroje sú nízko výkonové, preto e
je tu potebný len malý prúd. Sú rie ené pomocou jedného transformátora, ktorý má
dve sekundárne vinutia. Výkon ka dého z nich je 2.5 W. Ka dé vinutie má vlastný
usmer ova (D2, D3), stabilizátor (NL5, NL6) a taktie filter (C8, C9, C10, C21,
C22, C23). Zapojenie týchto zdrojov si mô eme pozrie na obr. 5.10.
Obr. 5.10 Lineárne napájacie zdroje integrovaných obvodov a bootstrapového
kondenzátora
Posledným prvkom, ktorý vy aduje napájanie je u spomínaný opto len. Tento je
v mojom návrhu napájaný priamo z výstupného napätia cez rezistor R40. Toto
zapojenie je znázornené na obr. 5.7.
5.1.9 Popis innosti celkového zapojenia spínaného zdroja
Ke e sme u rozobrali jednotlivé asti zapojenia, mô eme si vysvetli , ako
pracuje celkové zapojenie spínaného zdroja, ktoré je zobrazené v prílohe .
Vstupné striedavé napätie sa privádza na vstupný usmer ova D1 cez poistku FU1
a termistrory RN1 a RN2. Na výstupe usmer ova a získavame jednosmerné
napätie, ktoré má ale ve ké zvlnenie a obsahuje vy ie harmonické. Na odstránenie
Strana 42
týchto dvoch nepriaznivých javov sa pou ije vstupný filter, podrobne zobrazený na
obr. 5.2. Takéto vyfiltrované napätie je privedené na spínacie tranzistory VT1
a VT2. V prípade, ak sú tieto tranzistory otvorené, za ne nimi preteka prúd cestou
VT1 – primár T1 – VT2 – R8, R9 – zem. V tomto momente sa vybíja kondenzátor
C6, ktorý sa dobíjal po as zatvorenia tranzistorov. Diódy VD4 a VD5 sú
polarizované v závernom smere a teda sú zatvorené. Napätie z primárneho vinutia
sa pretransformuje na vinutie sekundárne. Dióda VD8 je polarizovaná
v priepustnom smere, e za ne ou preteka prúd, ktorý pokra uje cez tlmivky L3
a L5 a do zá e. Zárove sa ním nabíjajú výstupné kondenzátory. Ke sa
tranzistory VT1 a VT2 zatvoria, situácia sa zmení. Rýchlej ie vybitie hradla
tranzistora nám zabezpe ia diódy VD2 a VD6, ktoré menia strmos vybíjania tohto
hradla. Po uzatvorení tranzistorov sa za ne kondenzátor C6 opä nabíja
z pomocného lineárneho zdroja. Napätie na transformátore zmení svoj smer a diódy
VD4 a VD5 za nú vies prúd, preto e vplyvom vzniknutého zákmitu sa na ich
katódach vytvorí zápornej í potenciál ako je na zemi. Vplyvom zmeny polarity
napätia sa dióda VD8 uzatvorí a otvorí sa dióda VD9, cez ktorú sa vybíjajú
výstupné kondenzátory do zá e. Na zabezpe enie kon tantného napätia na
výstupe je v tomto obvode pou itá spätná väzba. Presná hodnota výstupného
napätia sa nastaví prostredníctvom trimra RP1. Zmenou jeho odporu dosiahneme
zmenu ve kosti napätia na referencii obvodu NL3. Ak je toto napätie vä ie ako 2,5
V, spustí sa regulácia rozsvietením opto lena UF1. Zmeny výstupného napätia sa
snímajú obvodom NL2. Ten porovnáva toto napätie s referen ným a vytvára tak
chybový signál. Po komparácii tohto signálu s pílovitým priebehom sa vytvára na
výstupe obvodu NL2 riadiaci PWM signál, ktorý privádzame do obvodu IR 2110.
Tento vytvorí dva signály, ktoré riadia spínanie tranzistorov. Ak by sme odpojili
reguláciu, obvod by pracoval do maximálnej striedy, e doba zopnutia by sa
rovnala dobe vypnutia. Takto by bol na výstupe maximálny výkon, aký doká e
zdroj vyrobi . Tým e meníme as, kedy je tranzistor otvorený, resp. zatvorený,
meníme aj ve kos napätia na výstupe, ím tu udr iavame kon tantnú hodnotu.
Tento zdroj obsahuje e te rezistory R8 a R9, zapojené medzi emitorom VT2
a zemou. Ide o odporové drôty, na ktorých po as pretekania prúdu vzniká ur itý
úbytok napätia. Tento je snímaný cez rezistor R10 obvodom NL2 a privádza sa na
jeho vstup ISENSE. Ak by tento úbytok prekro il povolenú hranicu, celý meni by
sa zablokoval.
Strana 43
5.2 Návrh dosky plo ných spojov
Po dokon ení kompletného návrhu zapojenia spínaného zdroja a zaobstarania
etkých sú iastok som pre iel k návrhu plo ného spoja. Tento som realizoval
v programe ORCAD 9.0, ktorý sa skladá z dvoch hlavných astí. Prvou as ou je
tzv. CAPTURE (Pozri prílohu .). Tento podprogram slú i na nakreslenie
kompletného schematického zapojenia spínaného zdroja. Obsahuje rôzne kni nice
sú iastok, z ktorých sa jednotlivé sú iastky vyberajú a vkladajú do schémy.
V prípade ak sa nejaká elektronická sú iastka v kni niciach nenachádza, je tu
mo nos vytvorenia vlastnej sú iastky ubovolného typu. Ve mi dôle itou sú as ou
ka dej elektronickej sú iastky zakreslenej v schéme je nadefinovanie jej puzdra.
Konkrétne typy puzdier nájdeme v druhom podprograme s názvom LAYOUT
(Pozri prílohu .). Ke e v mojom zapojení som mal niektoré sú iastky, ako
napríklad tlmivky, transformátor a podobne, ktoré nemajú tandardné puzdra, musel
som si ich nakresli . Na toto slú i prostredie LIBRARY MANAGER (Pozri
prílohu .), v ktorom sa dajú nadefinova ubovolné tvary puzdier. Ke mala ka dá
sú iastka svoje puzdro, program ORCAD vygeneroval v prostredí CAPTURE tzv.
NETLIST, ktorý je na ítaný podprogramom LAYOUT a na základe ktorého sa
za ína bu ru ný alebo automatický návrh dosky plo ných spojov.
Pri samotnom návrhu treba dodr ur ité konkrétne návrhové pravidlá. Tieto
pravidlá sa týkajú jednak rozmiestnenia sú iastok, írky a d ky cesti iek na
plo nom spoji, e aby bola zachovaná elektromagnetická kompatibilita celého
zariadenia.
Prvou po iadavkou pri návrhu plo ného spoja bola írka ciest. I lo o tzv. výkonovú
cestu. Táto cesta za ína vstupnými svorkami, pokra uje vstupným usmer ova om,
vstupnými filtra nými kondenzátormi, prechodmi kolektor – emitor oboch
tranzistorov, diódami VD4 a VD5, transformátorom a kon í a na zemi. Práve na
tejto ceste te ú tie najvä ie prúdy, ktoré sú odoberané zo vstupných kondenzátorov
a následne sú spínané tranzistormi. Takisto museli by dostato ne iroké aj spoje za
transformátorom a k výstupu zdroja, kam je sústredená celá energia. S týmito
cestami súvisela aj ich d ka. Spoje museli by dostato ne iroké a nie príli dlhé.
Aby boli spoje dostato ne krátke, museli by sú iastky, nachádzajúce sa na týchto
Strana 44
spojoch blízko u seba. I lo najmä o elektrolytické kondenzátory, ktoré majú dos
ve ké rozmery.
al ou po iadavkou bolo umiestnenie asti plo ného spoja, kde sa vyskytovalo
sie ové striedavé napätie, do bezpe nej vzdialenosti od integrovaných obvodov
a ich okolia, aby sa v nich neindukovali rôzne ru iace signály. Práve toto ru enie by
mohlo spôsobi nestabilitu, ba aj nefunk nos spínaného zdroja. S takýmto ru ením
súvisí aj umiestnenie drivera IR 2110 a PWM regulátora UC 3845 o najbli ie ku
spínacím tranzistorom. Podobne aj napájania integrovaných obvodov sa museli
vies samostatne, aby sa navzájom neru ili. V neposlednom rade bolo treba
zabezpe rozmiestnenie spínacích tranzistorov a výkonových diód tak, aby ich
bolo mo né upevni na chladi . V mojom návrhu som tieto sú iastky rozmiestnil
tak, aby sa dali upevni na spolo ný chladi . Preto sú umiestnené zo spodnej asti
plo ného spoja.
Kompletný návrh plo ného spoja je zobrazený v prílohách . . Ide o obojstranný
plo ný spoj, ktorý zna ne etrí miesto. Tento plo ný spoj som si dal vyrobi vo
firme VÚVT Engineering, sídliacej v iline. Ke e sa jedná o obojstrannú dosku,
ka dý otvor v tejto doske obsahuje prekovenie, aby sa zabezpe ilo dostato né
spojenie oboch strán plo ného spoja. Jednotlivé elektronické sú iastky, pou ité
v tomto zdroji, som osadil samostatne pomocou mikropájky o výkone 7,5 W.
aka takémuto nízkemu výkonu sa minimalizovala mo nos tepelného
po kodenia sú iastok pri osádzaní. Elektronické sú iastky sú vývodové, okrem
integrovaného obvodu IR 2110 a diód VD1, VD2, VD6 a VD7, ktoré sú v SMD
prevedení. Kompletne osadený plo ný spoj spolu s chladi om je zobrazený
v prílohách . taktie zoznam pou itých sú iastok sa nachádza v prílohe .
Strana 45
6. VÝSLEDKY SIMULÁCIÍ A PRAKTICKÝCH
MERANÍPo zostavení a o ivení napájacieho zdroja som pristúpil k praktickým
meraniam. E te pred meraním skuto ných priebehov na spínanom zdroji som si
najskôr pripravil programové prostredie pre simuláciu tohto zdroja. Vyu il som na
to program ORCAD 10, ktorého sú as ou je aj program CAPTURE CIS. Tento je
ur ený pre simulácie elektronických obvodov. Simulovanie v tomto programe je
podobné ako meranie priebehov pomocou osciloskopickej sondy. V tomto prípade
je sonda virtuálna a mô eme ju ,, pripoji “ na ubovolné miesto v nami zakreslenej
schéme. Najdôle itej ia vec pri simulácii je správne nastavenie parametrov
jednotlivých komponentov. Medzi tieto parametre patria napríklad odpor
kondenzátorov a odpor vinutí transformátora, rozptylové induk nosti
transformátora, induk nosti primárneho a sekundárneho vinutia, ve kos
napájacieho napätia a mnoho al ích. Treba si v ak uvedomi , e samotná
simulácia nemá nikdy presne také parametre, ako reálny zdroj, preto e ten obsahuje
ve a al ích sú iastok a taktie vplyv tvarov ciest na doske plo ného spoja nieje
zanedbate ný.
Ku praktickým meraniam som mal k dispozícii dva osciloskopy, a to analógový
LECROY 9304 a digitálny IWATSU DS – 8822. Ke e som potreboval nejako
zaznamena výsledky meraní, pou il som osciloskop digitálny, ktorý umo oval
archiváciu nameraných dát na pamä ovú kartu. Tieto sa dali opätovne vyvola ,
prípadne zaznamena do PC ako obrázky formátu TIF.
Teraz u pristúpme k samotným meraniam. Ako prvé pri praktických meraniach
som si skontroloval priebehy na PWM regulátore. Z teórie vyplýva, e ak regulátor
nereguluje, jeho výstupné impulzy musia ma amplitúdu napájacieho napätia
regulátora a ten musí pracova do plnej striedy. To znamená, e doba zopnutia musí
by taká istá, ako doba vypnutia. Okrem týchto výstupných impulzov má tento
regulátor vyvedený pílovitý signál. Je nesmierne dôle ité, aby tento nebol ru ený,
inak by celá regulácia bola nespo ahlivá. Na nasledujúcich obrázkoch sú uvedené
priebehy týchto dvoch signálov, aké som nameral prostredníctvom digitálneho
osciloskopu.
Strana 46
Obr. 6.1 Priebeh napätia z výstupu PWM regulátora bez regulácie
Z priebehu výstupného napätia PWM regulátora vidíme, e amplitúda impulzov je
15 V a doba vypnutia je pribli ne zhodná s dobou zapnutia. V takomto re ime by
spínaný zdroj pracoval do maximálneho výkonu. Frekvencia týchto impulzov je
50.37kHz., e touto frekvenciou sú riadené spínacie tranzistory.
Vyhlasujem, e som zadanú diplomovú prácu vypracoval samostatne, pododborným vedením vedúceho diplomovej práce doc. Ing. Rudolfa Hronca, PhD.a pou íval som len literatúru uvedenú v práci.
Súhlasím so zapo iavaním diplomovej práce.
V iline d a................................ podpis diplomanta.....................
Strana 56
PO AKOVANIE
Na záver diplomovej práce by som sa rád po akoval v etkým tým, ktorí mipomohli pri jej tvorení. Ich pomoc pozostávala najmä v technických radách, tvorbetvorivého prostredia, ale aj v radách s administratívnou as ou práce. Osobitne bysom sa chcel po akova za cenné rady a usmernenia v rie ení zadania môjmuvedúcemu diplomovej práce pánovi Doc. Ing. Rudolfovi Hroncovi, PhD. Taktie bysom chcel touto cestou po akova pánovi Ing. tefanovi Smie kovi za umo nenierealizácie praktickej asti diplomovej práce v spolo nosti ELTECO. Moja v akapatrí aj ostatným lenom katedry za pomoc a rady, v aka ktorým mohla by mojapráca dopracovaná a do úplného záveru.
Samozrejme by som rád na tomto mieste spomenul rodi ov a po akoval sa imza ich ochotu a porozumenie.
etkým by som chcel preto touto cestou vyslovi moje ve ké AKUJEM.
Strana 57
ILINSKÁ UNIVERZITA V ILINEElektrotechnic ká fakulta