Electroalimentare Electroalimentare 2 - proiect
1
1.
Tema ema pro proie iect ctul ului ui de El Elec ectr troa oali lime ment ntar are: e:
Să se proiecteze trei surse stabilizate de tensiune continuă, conform cerințelor următoare: −
o sursă stabilizată congurație serie;
cu
componente
discrete,
în
−
o sursă stabilizată cu circuit integrat specializat, L!2";
−
o surs sursă ă stab stabil iliz izat ată ă cu circu ircuit it inte integr grat at spec specia iali liza zat, t, în comutație #conform temei indi$iduale%&
'arametrii de pornire pentru calculul surselor $or următorii: •
se consideră (, ziua na)terii )i L, luna na)terii studentului&
•
alim alime entar tare monof onofaz azat ată, ă, cu frec$e c$en*a n*a de + z, z, cu tensiune sinusoidală cu $aloare nominală de 22., a$/nd $aria*ii admise de -0+1301 din $aloarea nominală;
•
pentru sursa cu componente discrete: tensiunea de ie)ire U0, curentul de ie)ire I0 se $or calcula după formula: 4 5 267.8 9 5 !+7m8
•
pent pentru ru surs sursa a cu cir circuit cuit inte integr grat at L!2 L!2": ": tens tensiu iune nea a de ie)ire .S a, curentul de ie)ire 9 S a se $or calcula după formula: .S a 5 26 7.8 9S a 5 !+ 7m8
pentru sursa cu circuit integrat în comutație: .in a 5 26 7.8 .in in 5 0!&" 7.8 .out 5 >&? 7.8
2
Electroalimentare Electroalimentare 2 - proiect
9out 5 0&60 78
•
sursele $or supracurenți;
prote@ate
la
supratensiuni
•
temperatura mediului ambiant: "BC
)iAsau
2.Sursa de alimentare nestabilizată 2.1. 2.1.
Eta Etajul jul de de red redre resa sare re şi fltr fltru ul de de net netez ezir ire e
Se $a folosi un eta@ de redresare dublă alternan*ă în punte cu ltru capaciti$& Diltrul de netezire capaciti$ este sucient deoarece după acesta urmează un stabilizator de tensiune&
Diltrarea iltrarea capaciti$ă constă în conectarea conectarea unui condensator condensator C în paralel, pe ieirea redresorului, cu respectarea polarită*ii în cazul conde condensa nsatoa toare relor lor polari polarizat zate e #e #ele lectr ctroli olitic tice% e%&& Conden Condensat satoru orull se $a încărca încărca pe porțiunea crescătoare crescătoare a semialternanței, semialternanței, pe porțiunea desc descrrescă escăto toar are e i ind nd cel cel car care fur furnize nizeaz ază ă cur curentu entull de sar sarcină cină&& Fensiune Fensiunea a pe acesta se reface pe porțiunea crescătoare crescătoare a următoarei semialternanțe& ceastă $ariație a tensiunii se nume)te riplu #U Z % )i depinde de mărimea condensatorului i de mărimea curentului folosit de sarcină& Dorma tensiunii de la ie)ire, cu )i fără ltru de netezire, este ilustrată în gura următoare:
3
Electroalimentare 2 - proiect
G particularitate importantă a ltrării capaciti$e constă în faptul că, în absen*a consumatorului #cu ieirea în gol%, tensiunea de ieire este egală cu $aloarea de $/rf a pulsurilor, depăind astfel de √ 2 ori $aloarea ecace a tensiunii alternati$e care se redresează& He eemplu, dacă transformatorul furnizează în secundar o tensiune de 0. #$aloare ecace%, $aloarea de $/rf a pulsurilor este de √ 2 ∙ 10 V =14,1 V , negli@/ndu-se căderile pe diode& 'rin ltrare capaciti$ă, tensiunea în gol la ieirea redresorului $a , deci, de cca& 06.& Fensiunea minimă de la ieirea redresorului cu ltru de netezire se alege astfel înc/t sa e mai mare dec/t suma dintre tensiunea de ieire U0 i căderile de tensiune pe celelalte blocuri înseriate între ltrul de netezire si ie)irea stabilizatorului #de eemplu Elementul Iegulator Serie%& Heci: U C ≥U 0+ U stab= 24 + 1.5 =25.5
Se consideră $aloarea riplului:
U Z =
U 0 6
=4
Iezultă că $aloarea de $/rf a tensiunii redresate $a : U ¿ =U C + U Z =29.5
4
Electroalimentare 2 - proiect
Fensiunea în secundar $a trebui însă să e mai mare, datorită pierderii pe cele două diode prin care circulă curentul& Fensiunea de desc=idere a unei diode cu siliciu #în mod normal ,?&&&,!.% se apropie de 0. la curen*i mari& Heci tensiunea efecti$ă în secundar $a a$ea $aloarea de $/rf: U S =
U C + U Z + 2 U D
√ 2
=¿
20&>6J?
'untea redresoare con*ine diode identice& cestea sunt alese în func*ie de curentul care trece prin ele, )i anume I0, precum )i de tensiunea in$ersă maimă, V RRM #se poate aproima cu $aloarea tensiunii US%& 'entru ca în timp de o semiperioadă # Δt 5 0ms% condensatorul să se descarce cu ΔU = U Z sub un curent I0, capacitatea acestuia trebuie să aibă $aloarea: C =
∆ Q I 0 ∙ ∆ t = =187.5 [ µF ] ∆ U U Z
Fensiunea maimă pe care trebuie să o suporte condensatorul trebuie să e mai mare dec/t Ured& Atenție! Pentru toate componentele electronice se caută valorile standard apropiate de valorile reultate din calcule "n #oile de catalo$ "n #uncție de domeniul de toleranță %i tensiunea de lucru &dacă este caul'(
5
Electroalimentare 2 - proiect 2.2. Transormatorul
Hatele de pornire cunoscute pentru calculul transformatorului de re*ea sunt: U =220 V ,U =24 V , I =75 mA & P
S
0
'uterea totală în secundar $a : PS =U S ∙ I 0 ∙ 1,1 ∙ 1,2=2.16311 [ W ]
unde 0,0 i 0,2 sunt coecien*i de siguran*ă ai tensiunii de ieire i ai redresării& 'uterea totală în primar $a : P P = PS ∙ ( 1+ P Fe + PCu )=2.33616 [ W ]
unde 'De 5 ,"+ reprezintă pierderile în miezul magnetic, iar ' Cu 5 ,6+ reprezintă pierderile în conductoarele de cupru& Calculul ariei secțiunii miezului se face pentru frec$en*a f 5 +z după formula: S Fe ≥ ( 1,4 )
√
50 ∙ P P
f
=2.13983 [ cm2 ]
unde $alori mai reduse ale coecientului se adoptă pentru puteri mai mici #de ordinul c/*i$a Kați%& umărul de spire pe $olt #necesar pentru a se ob*ine cu o tensiune de 0., o anumită induc*ie maimă M% pentru înfăurarea primară se calculează după formula: 4
w P=
10
4,44 ∙ f ∙ B ∙ S Fe
=17.54230
[ ] sp V
unde induc*ia magnetică M 5 ,>&&&0,2F #recomand/ndu-se $aloarea superioară pentru puteri mai mici%& umărul de spire pe $olt pentru înfăurarea secundară se calculează după formula: w S= w P ( 1 + P Fe ) =18.15628
[ ] sp V
Electroalimentare 2 - proiect
6
umărul de spire în înfăurarea primară $a :
n P= w P ∙ U P
5">+J
umărul de spire în înfăurarea primară $a :
n S=w S ∙U S
5"J?
Hiametrul conductoarelor de bobina@ se calculează după formula, aleg/ndu-se $alori standardizate, prin rotun@ire superioară față de $aloarea rezultată din calcul: d P ≥ 1,13
√
d S ≥ 1,13
=2
unde
A 2
mm
=2
este
I P =0.09691177 [ mm 2 ]
√
I S
=0 .23976916
densitatea
[ mm ]
de
2
curent
admisibilă
a
conductoarelor de cupru& Se alege un transformator cu tole de tip E39&
Se determină dimensiunea tolelor, aleg/ndu-se $alori standardizate, prin rotun@ire superioară față de $aloarea rezultată din calcul, după formula: a =( 3,7 ! 4,4 ) √ S Fe=6.43639 = 6 [ mm ]
Se determină grosimea pac=etului de tole: b=
100 S Fe 2a
=17.83192 [ mm ]
7
Electroalimentare 2 - proiect
Se $erică dacă bobina@ele încap în transformatorului, prin $ericarea factorului de umplere: 2
F u =
2
n P d P + nS d S 3a
fereastra
2
=0.38003
Hacă ) u N ," #răm/ne spa*iu nefolosit în fereastră% se pot micora S)e sau a( Hacă ) u O ,60#bobina@ul nu încape în fereastră% se cresc mărimile S)e sau *& Se alege grosimea tolei g 5 ,"+mm i rezultă numărul de tole: b n" t#$e = =50.94833 =51 %
8
Electroalimentare 2 - proiect
3.Sursă de alimentare stabilizată, cu componente discrete 3.1.
Stabilizator parametric cu tranzistor serie
Stabilizatoarele de tensiune controlează )i reglează în mod continuu ni$elul tensiunii de ie)ire& Componenta principală este elementul regulator serie #EIS% care este elementul de eecu*ie al sc=emei& Este format dintr-un tranzistor sau grup de tranzistoare bipolare )i are următoarele roluri: •
men*ine tensiunea de ieire la ni$elul specicat, sub controlul amplicatorului de eroare;
•
furnizează curentul de ieire;
•
reduce sau bloc=ează curentul la ieire la ac*ionarea circuitelor de protec*ie;
•
micorează rezisten*a serie a stabilizatorului&
'entru congurația serie se folose)te un tranzistor bipolar în serie cu sarcina, cu rolul de a amplica curentul furnizat de un stabilizator parametric simplu, realizat de obicei cu o diodă zener& Dunc*ionarea unui stabilizator parametric se bazează pe capacitatea diodei (ener de a men*ine tensiunea constantă la bornele sale întrun domeniu dat #numit domeniu de stabilizare%& 'erforman*ele de stabilizare a tensiunii de ieire, asigurate de un astfel de stabilizator, sunt strict determinate de caracteristica tensiunecurent a diodei folosite&
Iezistența R* are rol de limitare a curentului prin dioda zener #rezistență de balast% )i de polarizare a bazei tranzistorului& 3.2.
Stabilizator cu reacie cu tranzistor serie
9
Electroalimentare 2 - proiect
Stabilizatorul cu reac*ie se bazează pe utilizarea unei sc=eme de amplicator cu reac*ie negati$ă&
He eemplu, o scădere a tensiunii de ieire determină apari*ia unei tensiuni diferen*iale poziti$e, care înseamnă o cretere a curentului de ieire al G, fa*ă de situa*ia anterioară modicării tensiunii de ieire& 9n acest fel crete i intensitatea curentului de comandă în baza tranzistorului regulator& Ca urmare tensiunea colector-emitor a acestuia scade iar tensiunea de ieire re$ine la $aloarea 4& Ale$erea ampli+catorului operațional
10
Electroalimentare 2 - proiect
mplicatorul operațional este unul de uz general )i se $a alege astfel înc/t să poată alimentat cu tensiunea U, min de la intrarea stabilizatorului& Ale$erea tranistorului
Căderea de tensiune pe tranzistor între colector )i emitor, atunci c/nd acesta se aPă în saturație se $a considera a U C&sat =0,5 V =U stab & 'rin urmare, țin/nd cont de $ariațiile tensiunii de rețea se determină: U Cm'n =U 0 + U stab U Cma( =U Cm'n+ 25 U Cm'n
'entru a putea alege tranzistorul din componența elementului regulator serie a$em ne$oie de trei parametri: U C& 0=U Cma( −U 0 I Cma( = I 0 P D ma(=U C& 0 ∙ I Cma(
Ale$erea diodei ener
'entru acest tip de stabilizator, $aloarea tensiunii de stabilizare a diodei zener se alege astfel înc/t să e mai mică dec/t tensiunea de ie)ire U0& Hiodele (ener cu tensiuni sub + ., au un coecient de $aria*ie al tensiunii cu temperatura, de $aloare negati$ă, iar cele peste ? ., au coecient poziti$& 'rin urmare, dacă este posibil, pentru a obține o stabilitate mai bună a tensiunii cu temperatura, se $a alege o diodă zener în pla@a de tensiuni +&&&?.& ,alculul reistențelor
Iezistența R- are rol de limitare a curentului prin dioda zener #rezistență de balast%& .aloarea ei se calculează cu următoarea formulă #consider/nd curentul absorbit de intrarea ne-in$ersoare ca ind negli@abil%:
Electroalimentare 2 - proiect
11 )1=
U Cm'n−U Z I Zm
,
unde I Zm este curentul minim prin dioda zener #din foaia de catalog%&
Se calculează curentul maim prin diodă )i puterea maimă disipată de aceasta, atunci c/nd tensiunea de la intrare are $aloarea maimă: I Z ma(=
U Cma( −U Z )1
< I Z*
P DZ =U Z ∙ I Z ma( < P ma(
,
unde I ZM este curentul maim prin diodă, Pma. este puterea maimă pe diodă, acestea găsindu-se în foaia de catalog a acesteia& Hacă cel puțin una din condiții nu este $ericată se alege o diodă zener de putere mai mare )i se refac calculele anterioare& Condiția de ec=ilibru a stabilizatorului, c/nd tensiunea de ie)ire are $aloarea 4 este: −¿ +¿=U ¿
U ¿
Fensiunea
pe
intrarea
ne-in$ersoare este
+¿=U Z U ¿
, iar
tensiunea pe intrarea in$ersoare este tensiunea de pe rezistența R/ ce se obține din formula di$izorului de tensiune:
Electroalimentare 2 - proiect
12
)3
−¿=U 0
) 2+ ) 3 U ¿
Iezultă, deci:
( )
) 2 U 0= 1 + U Z ) 3
Se consideră curentul prin di$izorul de tensiune ca ind I D =
I 0 100
, ce tra$ersează ambele rezistențe #curentul absorbit de
intrarea in$ersoare este negli@abil%& Iezultă, astfel: )2 + )3=
U 0 I D
Hin cele două relații se determină $alorile rezistențelor R )i R/& 3.3.
!onf"uraia #arlin"ton
Stabilizarea tensiunii la ie)ire se menține at/ta timp c/t amplicatorul operațional este capabil să furnizeze curentul necesar polarizării elementului regulator serie& Se $a calcula I* folosind formula: I B=
I C
≅
I 0
+ + 1
1
Dactorul de amplicare + , se alege din foaia de catalog a tranzistorului, la $aloarea minimă din domeniul specicat& 1
Hacă I* este mai mare dec/t curentul maim de ie)ire al G, putem mic)ora acest curent de bază necesar cu a@utorul unui eta@ Harlington&
13
Electroalimentare 2 - proiect
Cel de-al doilea tranzistor se alege folosind acelea)i trei condiții: U C& 0= U C ma( −U B& 1 −U 0
I Cma( =
I 0 + m'n 1
P D ma(=U C& 0 ∙ I Cma(
3.$.
+ m'n , 1 I 0 = + m'n , 2 + m'n, 1 ∙ + m'n, 2
%adiatorul
Iadiatorul are rolul de a disipa căldura disipată de elementul regulator serie& Circuitul termic al puterii disipate de tranzistor, de la ni$elul @oncțiunii )i p/nă c/nd căldura este dega@ată în mediul ambiant este reprezentat în gura de mai @os&
Electroalimentare 2 - proiect
14
'arametrii principali care inPuen*ează transferul de căldură sunt: : rezisten*a termică de transfer între @onc*iune i capsulă&
•
Rt1
•
Rt1
•
Rt1
•
Rt1
23c
: rezisten*a termică de transfer între capsulă i radiator& c3r
: rezisten*a termică de transfer între radiator i mediul ambiant& r3a
: rezisten*a termică de transfer între @onc*iune i mediul ambiant& 23a
P4ma. este puterea maimă disipată de tranzistorul de putere al
EIS& Se $a folosi un radiator din tablă de aluminiu de grosime d #0&&&0mm%& 5 6ma. #temperatura maimă a @onc*iunii% i Rt1 23c se $or găsi în
foaia de catalog a tranzistorului de putere ales& Femperatura mediului ambiant $a între 0+&&&"BC& )t- . − a=
)t- c− " =
, ma( , amb
200 ! 275
AC
Electroalimentare 2 - proiect
15
)t- . −a= ) t- . −c + )t- c −" + )t- "−a ⟹ ) t-" −a
ria radiatorului se aPă din formula: 1
A = 650 m
) t-" −a−33
[ cm ] , 2
√ m √ /d 4
unde m este un coecient de culoare i pozi*ie a radiatorului, iar 7 este conducti$itatea termică #20QARC pentru aluminiu i 2>QARC pentru cupru%& Coecientul m se alege din următorul tabel: Poziţie: Culoare: m
naturală 1
Orizontală neagră 0,5
naturală 0,85
Verticală neagră 0,43
Elemente de protec'ie
Protec8ia la supracurenți
Este realizată prin intermediul siguran*elor fuzibile ) -, ) , ) / i ) 9&
Hacă aparatul lucrează cu conductor de împăm/ntare se $or amplasa siguran*e pe ambele re de alimentare& ) - i ) sunt conectate în primarul transformatorului i au $aloarea de 0,+ I p, unde I p este curentul nominal din primarul transformatorului&
16
Electroalimentare 2 - proiect ) / prote@ează la supracurent toate elementele conectate în secundarul transformatorului& .aloarea ei $a de 0,+ I0& Siguran*ele
$or de tip lent& ) 9 este o siguran*ă ultrarapidă inserată pentru a decupla
alimentarea stabilizatorului în cazul în care este ac*ionată protec*ia cu tiristor& .aloarea ei $a de 0,+ I0& Protec8ia la supratensiune
Se realizează pentru intrare i pentru ieire, iar supratensiunile ce pot apare pot de durată, sau scurte #impuls%& 'rotec*ia la impulsuri scurte pe intrare se face cu ltrul R9,& Hioda 4: prote@ează la tensiuni in$erse ce pot apare la înserierea mai multor surse, sau datorită unor sarcini inducti$e& Condensatoarele ,9 i ,; absorb supratensiuni în impuls i micorează impedan*a de ieire a sursei& 'entru frec$en*e @oase i medii protec*ia este asigurată de condensatorul electrolitic, iar la frec$en*e înalte, protec*ia este asigurată de cel ceramic& 'rotec*ia la supratensiuni în regim permanent se face prin scurtcircuitare i este asigurată de tiristorul F=& La apari*ia unei supratensiuni pe ieire, dioda H ! din ieirea stabilizatorului se desc=ide i amorsează tiristorul, scurtcircuit/nd punctul de intrare în stabilizator i distrug/nd fuzibilul ) 9 datorită supracurentului produs& morsarea la impulsuri foarte scurte de tensiune a tiristorului este împiedicată de ltrul R;,/& Condi*iile pentru alegerea tiristorului sunt:
{
U A0 ≥ 1,1 U ¿ I A =2 I 0
Hupă alegerea tiristorului se găsi în foaia de catalog a acestuia $aloarea tensiunii de amorsare V <5 &
Diltrul R9, $a a$ea $alorile: R9 5 6! 7Ω8
17
Electroalimentare 2 - proiect , 5 0 7nD8
Diltrul R;,/ $a a$ea $alorile: R; 5 22 7Ω8 ,/ 5 0 7D8
Hioda 4: se alege astfel înc/t V RRM O U0 i I4 O I0& Condensatorul ,9 este de 6! 7D8& Condensatorul ,; este de ,0 7D8&
18
Electroalimentare 2 - proiect
$.Sursă de alimentare stabilizată (n comutaie $.1.
)ccesul la *E+E!- /o0er )rcitect
'entru proiectarea unei surse stabilizate în comutație se $a utiliza aplicația online WEBENCH® Power Architect creată de compania Texas Instruments& o$in în colțul din dreapta sus al paginii&
'entru a porni aplicația se accesează următoarea adresă: =ttp:AAKKK&ti&comAKKAenAanalogAKebenc=ApoKerTarc=itect&s=tml Se completează cerințele sursei ce trebuie proiectată )i se dă clic pe Start 4esi$n #sau pe S1o? Recommended Po?er Mana$ement I,s, dacă după încărcarea aplicației se dă clic pe butonul
%&
19
Electroalimentare 2 - proiect
$.2.
ereastra isualizer
'e baza cerințelor sursei, în fereastra următoare sunt a)ate următoarele: −
Soluțiile găsite de aplicație&
20
Electroalimentare 2 - proiect
randamentul sursei, numărul de componente, frec$ența de funcționare )&a& Hacă se dă clic pe numele circuitului integrat se poate accesa pagina de internet a acestuia, unde se găse)te )i foaia de catalog&
−
Vracul Randament vs( Amprentă vs( ,ost în care sunt reprezentate pe aa W dimensiunea amprentei, pe aa randamentul sursei, iar dimensiunea cercului reprezent/nd costul& 'entru a obține o sursă ecientă )i c/t mai mică zic este bine să se aleagă dintre cele aPate în zona $erde din colțul din dreapta-@os al gracului& Selectarea uneia din surse se poate face direct din grac, d/nd clicX pe cercul acesteia&
21
Electroalimentare 2 - proiect
−
4neltele pentru ltrarea soluțiilor&
@*B,C Dptimier permite adaptarea soluțiilor în funcție de
cea mai importantă caracteristică a acesteia, aleg/ndu-se e o amprentă mică a sursei, e cel mai mic cost, e un randament ridicat& ,1an$e Inputs permite modicarea cerințelor sursei&
22
Electroalimentare 2 - proiect )eature )ilters ltrarea soluțiilor propuse de aplicație în funcție
de di$er)i parametri ai circuitelor integrate utilizate& )ilter Results permite ltrarea soluțiilor propuse prin selectarea
unui domeniu țintă al unor caracteristici c=eie ai surselor #randament, amprentă, cost, număr de componente, frec$ență )&a&%& Hupă ce se alege una din soluțiile propuse se dă clic pe butonul
corespunzător&
$.3.
ereastra Summar4
Dptimiation 5unin$ permite adaptarea soluției în funcție
una din cele trei caracteristici considerată cea mai importantă&
−
,1arts permite realizarea de grace în funcție de curentul
de ie)ire )i $alorile minimă, medie )i maimă a tensiunii de intrare& H/nd clic în această fereastră se pot $izualiza gracele selectate #cele inițiale%& 'entru a $izualiza alte grace se dă clic pe butonul )i se bifează în listă gracele dorite, apoi se dă clic pe Save&
23
Electroalimentare 2 - proiect
−
permite $izualizarea sc=emei sursei, cu $alorile tuturor componentelor& cestea pot sc=imbate d/nd clicX pe componenta dorită, apoi pe butonul dit )i se alege o alta din lista a)ată& Sc1ematic
24
Electroalimentare 2 - proiect − Dperatin$ Values a)ează o listă cu parametrii de
funcționare ai sursei, pentru punctul de operare selectat #tensiune de intrare )i curent de ie)ire%&
−
*ill o# Materials a)ează lista completă a componentelor
electronice folosite în sc=emă, împreună cu detaliile importante ale acestora&
25
Electroalimentare 2 - proiect
Derestrele prezentate pot accesate )i cu a@utorul butoanelor din partea de sus&
plicația permite )i efectuarea de simulări electrice )i termice, precum )i tipărirea sau eportarea sc=emei sursei în diferite formate CH& $.$.
5od de lucru
0% Se introduc datele de pornire calculate în tema proiectului& 2% Se alege una din soluțiile propuse de aplicație prin selectarea ei din zona $erde #cea mai mică )i mai ecientă%, cu aprobarea îndrumătorului de proiect& "% Se $or include în proiect sc=ema sursei, gracele pentru eciența sursei, puterea de ie)ire )i puterea disipată maimă, tabelul cu $alorile parametrilor de funcționare ai sursei, tabelul cu lista de componente electronice folosite în sursă, împreună cu detaliile importante ale acestora&
26
Electroalimentare 2 - proiect
6% Hin foaia de catalog a circuitului integrat utilizat se $or etrage #)i traduce% descrierea acestuia, sc=ema bloc internă, mod de funcționare, tipuri de protecții, formule de calcul pentru componentele electronice utilizate în sc=emă&
