proiect ea 2012-2013

1 Electroalimentare 2 - proiect

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 frecvența de 50 Hz, cu tensiune sinusoidală

cu valoare nominală de 220V, având variații 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]

I0 = 50 + L*5 [mA]

pentru sursa cu circuit integrat LM723: tensiunea de ieșire VS Max, curentul de ieșire IS Max se vor calcula după formula:

VS Max = 10 + Z/2 [V]

IS Max = 50 + L*5 [mA]

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 + Z/2 [V]

Vin Min = 8 + Z/3 [V]

Vout = 3 + Z/5 [V]

Iout = 1 + L/12 [A]

sursele vor fi protejate la supratensiuni și/sau supracurenți;


temperatura mediului ambiant: 30°C

Proiectul va trebui să conțină:

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, București, 1983

Mircea A. Ciugudean, Stabilizatoare de tensiune cu circuite integrate liniare. Dimensionare, Editura de Vest, Timișoara, 2001

Mihai Dincă, Electronică. Manualul studentului, Vol I și II Agenda radio-electronistului Cursurile de Electroalimentare și Dispozitive electronice www.datasheet.com


2. Sursa de alimentare nestabilizată

2.1. Etajul de redresare şi filtrul de netezire

Se va folosi un etaj de redresare dublă alternanță 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 ieșirea redresorului, cu respectarea polarității 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 și de mărimea curentului folosit de sarcină.

Forma tensiunii de la ieșire, cu și fără filtru de netezire, este ilustrată în figura următoare:


O particularitate importantă a filtrării capacitive constă în faptul că, în absența consumatorului (cu ieșirea în gol), tensiunea de ieșire este egală cu valoarea de vârf a pulsurilor, depășind 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 ieșirea redresorului va fi, deci, de cca. 14V.

Tensiunea minimă de la ieșirea redresorului cu filtru de netezire se alege astfel încât sa fie mai mare decât suma dintre tensiunea de ieșire U0 și căderile de tensiune pe celelalte blocuri înseriate între filtrul de netezire si ieșirea stabilizatorului (de exemplu Elementul Regulator Serie). Deci:

UC≥U 0+U stab

Se consideră valoarea riplului: U Z=U0/6.

Rezultă că valoarea de vârf a tensiunii redresate va fi: U red=UC+UZ.

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 curenți mari.

Deci tensiunea efectivă în secundar va avea valoarea de vârf:

U S=UC+UZ+2U D

√2


Puntea redresoare conține diode identice. Acestea sunt alese în funcție 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 ∙∆ tUZ

[F ]

Tensiunea maximă pe care trebuie să o suporte condensatorul trebuie să fie mai mare decât Ured.

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).


2.2. Transformatorul

Datele de pornire cunoscute pentru calculul transformatorului de rețea sunt: U P=220V ,U S , I0.

Puterea totală în secundar va fi:

PS=U S ∙ I 0 ∙1,1∙1,2 [W ]

unde 1,1 și 1,2 sunt coeficienți de siguranță ai tensiunii de ieșire și ai redresării.

Puterea totală în primar va fi:

PP=PS ∙ (1+PFe+PCu) [W ]

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 frecvența f = 50Hz după formula:

SFe≥ (1,4 …1,9 )√ 50 ∙ PP

f[cm2 ]

unde valori mai reduse ale coeficientului se adoptă pentru puteri mai mici (de ordinul câțiva wați).

Numărul de spire pe volt (necesar pentru a se obține cu o tensiune de 1V, o anumită inducție maximă B) pentru înfășurarea primară se calculează după formula:

wP=104

4,44 ∙ f ∙B ∙SFe[ spV ]

unde inducția magnetică B = 0,8...1,2T (recomandându-se valoarea superioară pentru puteri mai mici).

Numărul de spire pe volt pentru înfășurarea secundară se calculează după formula:

w S=wP (1+PFe )[ spV ]Numărul de spire în înfășurarea primară va fi: nP=wP∙U P

Numărul de spire în înfășurarea primară va fi: nS=wS ∙U S


Diametrul conductoarelor de bobinaj se calculează după formula, alegându-se valori standardizate, prin rotunjire superioară față de valoarea rezultată din calcul:

d P≥1,13√ IPJ

[mm2 ] și dS≥1,13√ I SJ

[mm2 ]

unde J=2 Amm2 este densitatea de curent admisibilă a conductoarelor de cupru.

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 ]

Se determină grosimea pachetului de tole:

b=100 SFe

2a[mm ]

Se verifică dacă bobinajele încap în fereastra transformatorului, prin verificarea factorului de umplere:

Fu=nPd P

2 +nSd S2

3a2

Dacă Fu < 0,3 (rămâne spațiu nefolosit în fereastră) se pot micșora 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 și rezultă numărul de tole:

nrtole=bg


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 execuție al schemei. Este format dintr-un tranzistor sau grup de tranzistoare bipolare și are următoarele roluri:

menține tensiunea de ieșire la nivelul specificat, sub controlul amplificatorului de eroare;

furnizează curentul de ieșire; reduce sau blochează curentul la ieșire la acționarea circuitelor de

protecție; micșorează rezistența 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. Funcționarea unui stabilizator parametric se bazează pe capacitatea diodei Zener de a menține tensiunea constantă la bornele sale într-un domeniu dat (numit domeniu de stabilizare). Performanțele de stabilizare a tensiunii de ieșire, 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 reacție se bazează pe utilizarea unei scheme de amplificator cu reacție negativă. În acest caz tensiunea de ieșire se menține constantă printr-un proces de reglare automată la care tensiunea de ieșire sau o fracțiune din ea se


compară cu o tensiune de referință. Semnalul diferență, numit și de eroare, este amplificat și comandă elementul regulator serie pentru a restabili valoarea prescrisă a tensiunii de ieșire.

Stabilizatoarele de tensiune realizate cu amplificatoare operaționale (AO) sunt stabilizatoare cu componente discrete la care ca amplificator de eroare se folosește un amplificator operațional în configurație ne-inversoare. Pe intrarea ne-inversoare se aplică tensiunea de referință, obținută de la un stabilizator parametric, iar pe intrarea inversoare se aplică o fracțiune din tensiunea stabilizată, obținută de la un divizor al tensiunii de ieșire. AO având amplificarea în buclă deschisă foarte mare, lucrează astfel încât potențialul bornei inversoare să fie mereu egal cu cel al bornei ne-inversoare. Orice abatere a tensiunii de ieșire care determină o dereglare a acestei egalități înseamnă apariția unei tensiuni diferențiale, de o anumită polaritate, în funcție de sensul de variație a tensiunii de ieșire (creștere sau micșorare).

De exemplu, o scădere a tensiunii de ieșire determină apariția unei tensiuni diferențiale pozitive, care înseamnă o creștere a curentului de ieșire al AO, față de situația anterioară modificării tensiunii de ieșire. In acest fel crește și intensitatea curentului de comandă în baza tranzistorului regulator. Ca urmare tensiunea colector-emitor a acestuia scade iar tensiunea de ieșire 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.

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=U stab. Prin urmare, ținând cont de variațiile tensiunii de rețea se determină:

UCmin=U 0+U stab

UCmax=UCmin+25 %UCmin

Pentru a putea alege tranzistorul din componența elementului regulator serie avem nevoie de trei parametri:

UCE 0=UCmax−U 0

ICmax=I 0

PDmax=UCE 0∙ ICmax

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 variație 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.

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):

R1=UCmin−U Z

I Zm,

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:

I Zmax=UC max−U Z

R1< IZM

PDZ=UZ ∙ I Zmax<Pmax ,

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+¿=U Z¿, iar tensiunea pe intrarea inversoare este tensiunea de pe rezistența R3 ce se obține din formula divizorului de tensiune:

U−¿=U 0

R3

R2+R 3¿

Rezultă, deci:

U0=(1+R2

R3)UZ

Se consideră curentul prin divizorul de tensiune ca fiind ID=I 0

100, ce

traversează ambele rezistențe (curentul absorbit de intrarea inversoare este neglijabil). Rezultă, astfel:


R2+R3=U 0

I D

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=ICβT1

≅I 0

βT1

Factorul de amplificare βT1se 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.

Cel de-al doilea tranzistor se alege folosind aceleași trei condiții:

UCE 0=UCmax−U BET 1−U 0

ICmax=I 0

βminT 1

PDmax=UCE 0 ∙ ICmax

În această situație, curentul de bază al ERS va fi curentul de bază al tranzistorului T2:


I B ERS=IBT 2=

I 0

βminT 1

βminT 2=

I 0

βminT 1∙ βminT 2

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 influențează transferul de căldură sunt:

Rth j-c: rezistența termică de transfer între joncțiune și capsulă. Rth c-r: rezistența termică de transfer între capsulă și radiator. Rth r-a: rezistența termică de transfer între radiator și mediul ambiant. Rth j-a: rezistența termică de transfer între joncțiune și 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 joncțiunii) și 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=T Jmax

T amb

Rth c−r=200…275

AC

Rth j−a=R th j−c+R thc−r+Rth r−a⟹R thr−a


Aria radiatorului se află din formula:

A=650m 1

R thr−a−334√m√λd

[cm2 ] ,

unde m este un coeficient de culoare și poziție a radiatorului, iar λ este conductivitatea termică (210W/ºC pentru aluminiu și 280W/ºC pentru cupru).

Coeficientul m se alege din următorul tabel:

Poziţie: Orizontală VerticalăCuloare: naturală neagră naturală neagrăm 1 0,5 0,85 0,43

În funcție de tipul capsulei tranzistorului de putere din ERS se va determina aria suprafeței de contact dintre capsulă și radiator (AC) în mm2.

3.5. Elemente de protecție

Protecția la supracurenți

Este realizată prin intermediul siguranțelor fuzibile F1, F2, F3 și F4.

Dacă aparatul lucrează cu conductor de împământare se vor amplasa siguranțe pe ambele fire de alimentare. F1 și F2 sunt conectate în primarul transformatorului și 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. Siguranțele vor fi de tip lent.


F4 este o siguranță ultrarapidă inserată pentru a decupla alimentarea stabilizatorului în cazul în care este acționată protecția cu tiristor. Valoarea ei va fi de 1,5I0.

Protecția la supratensiune

Se realizează pentru intrare și pentru ieșire, iar supratensiunile ce pot apare pot fi de durată, sau scurte (impuls).

Protecția 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 și C5 absorb supratensiuni în impuls și micșorează impedanța de ieșire a sursei. Pentru frecvențe joase și medii protecția este asigurată de condensatorul electrolitic, iar la frecvențe înalte, protecția este asigurată de cel ceramic.

Protecția la supratensiuni în regim permanent se face prin scurtcircuitare și este asigurată de tiristorul Th. La apariția unei supratensiuni pe ieșire, dioda D7 din ieșirea stabilizatorului se deschide și amorsează tiristorul, scurtcircuitând punctul de intrare în stabilizator și distrugând fuzibilul F4 datorită supracurentului produs. Amorsarea la impulsuri foarte scurte de tensiune a tiristorului este împiedicată de filtrul R5C3.

Condițiile pentru alegerea tiristorului sunt:

{U AK ≥1,1U red

I A=2 I 0

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:

U D7≅ 1,2 (U0−V ¿ )

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 și ID > I0.

Condensatorul C4 este de 470 [μF].

Condensatorul C5 este de 0,1 [μF].


4. Sursă de alimentare stabilizată în comutație

4.1. 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 adresă: http://www.ti.com/ww/en/analog/webench/power_architect.shtml

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 ).


4.2. 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.

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.

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.

4.3. 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 și se bifează în listă graficele dorite, apoi se dă clic pe Save.


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.


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.


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.

4.4. 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.

proiect ea 2012-2013

Documents