Izvori jednosmernog napajanja
Sadržaj
1. Uvod
2. Usmerači napona
2.1 Jednostrano usmeravanje
2.2 Dvostrano usmeravanje
23U
2.3
Umnožavažavači
ž
ž
či napona
3. Filtriranje usmerenog napona
4. Stabilizatori – regulatori
g
napona
p
4.1 Linearni stabilizatori napona
4.1.1 Stabilizatori sa Zener diodom
4 1 2 Paralelni stabili
4.1.2
stabilizatori
atori
4.1.3 Redni stabilizatori napona
4.2 Prekidački stabilizatori napona
4.2.1 Spuštači napona
4.2.2 Podizači napona
4 2 3 Invertori
4.2.3
Izvori jjednosmernog
g napona
p
1
27. decembar 2011.
Izvori jednosmernog napajanja
Izvori jednosmernog napajanja
Izvori jednosmernog napajanja
1. U
Uvod
1. U
Uvod
Ni jeadno od navedenih elektronskih kola ne bi moglo da
p
za p
polarisanje
j
radi ako se ne obezbedi jjednosmerni napon
aktivnih komponenata.
Karakteristike mrežnog napona?
To je naizmenični napon
Perpetuum mobile ne postoji !!! perpetuum_mobile.wmv
perpetuum mobile.wmv
prostoperiodični, frekvencije f= 50 Hz
Da bi pojačavač pojačao neki signal, mora da utroši
određenu snagu. Ta snaga dolazi iz izvora jednosmernih
napona.
Vrednost izvora za napajanje definiše maksimalni mogući
dinamički opseg signala (sem kod transformatorske sprege).
efektivna vrednost
V= 230 V
220 V
maksimalna vrednost
Vm= 324 V
311 V
U mobilnim uređajima koriste se baterije, dok je za napajanje
stacionarnih uređaja racionalnije da se koristi mrežni napon.
27. decembar 2011.
http://www.veljkomilkovic.com/
Izvori jednosmernog napajanja
2
3
27. decembar 2011.
Izvori jednosmernog napajanja
4
Izvori jednosmernog napajanja
Izvori jednosmernog napajanja
1. U
Uvod
1. U
Uvod
1. Transformator smanjuje vrednost mrežnog napona
Da bi se od mrežnog napona dobio jednosmerni, željene
p
jje
vrednosti,, potrebno
1. smanjiti njegovu vrednost
2. usmeriti
i i ga (napraviti
i i jednosmernii napon)
3. ukloniti naizmeničnu komponentu (“ispeglati”)
4. stabilisati ga (učiniti nezavisnim od promena uslova rada
potrošača i/ili napona mreže)
Galvanski odvaja izvor jednosmernog napona od
napona mreže.
Time se sprečava međusobni uticaj mreže na uređaj
i obrnuto.
27. decembar 2011.
Izvori jednosmernog napajanja
5
27. decembar 2011.
2. Usmeravanje naizmeničnog napona
Izvori jednosmernog napajanja
6
2. Usmeravanje naizmeničnog napona
2 Usmeravanjem se od naizmeničnog napona
2.
pravi jednosmerni
Kola koja imaju ovu sposobnost nazivaju se usmerači
usmerači.
2 1 Jednostrano usmeravanje
2.1
Zasnovani su na primeni dioda
zbog njihove osobine da provode
struju samo u jednom smeru.
27. decembar 2011.
Izvori jednosmernog napajanja
7
27. decembar 2011.
Izvori jednosmernog napajanja
8
2. Usmeravanje naizmeničnog napona
2. Usmeravanje naizmeničnog napona
2 1 Jednostrano usmeravanje
2.1
2 1 Jednostrano usmeravanje
2.1
vu = Vmsin(ωt)
vu = Vmsin(ωt)
Veff
V sin(ωt)
Vo v = ⎧ m
⎨
o
Veff
Vo
2kπ < ωt < (2k + 1)π
(2k + 1)π < ωt < (2k + 2)π
⎩0
k=0, 1, 2,...
Trenutna vrednost vremenski promenljivog napona,
bez jednosmerne komponente iznosi v=vo-Vo, a njegova
efektivna vrednost je
j
Napon na potrošaču
N
t š č ima
i
jednosmernu
j d
komponentu
k
t
(srednja vrednost signala)
Vo = Vm/π
/
ukupnu efektivnu vrednost
V
Veff = m
2
27. decembar 2011.
Izvori jednosmernog napajanja
⎧V sin(ωt) 2kπ < ωt < (2k + 1)π
vo = ⎨ m
(2k + 1)π < ωt < (2k + 2)π
⎩0
Veff ' =
1
2π
27. decembar 2011.
9
2.1 Jednostrano usmeravanje
2π
2
∫ (vo −Vo ) dωt =
0
2π
1
2
2
(vo − 2voVo +Vo )dωt
∫
2π 0
Izvori jednosmernog napajanja
10
2.1 Jednostrano usmeravanje
Pri jednostranom usmeravalju vremenski promenljiva
komponenta napona Veff ’ veća je od jednosmerne
komponente, Vo!
Veff
2π
2π
2π
1
1
1
2
2
2
2
Veff ' =
vo dωt − ∫ 2voVodωt + ∫Vo dωt = Veff −V o
∫
2π 0
2π 0
2π 0
Faktor talasnosti je mera sadržaja naizmenične
komponente u usmerenom signalu i izračunava se
k k
kao
količnik
lič ik efektivne
f kti
vrednosti
d ti naizmenične
i
ič
komponente napona na potrošaču Veff ’ i
jednosmernog napona Vo
2
γ=
27. decembar 2011.
vd
Vo
Probojni napon diode (Vp)mora da bude veći od Vm!
inače će dioda da izgori.
izgori
Veff '
π
≈
−1 ≈ 1.21
4
Vo
Izvori jednosmernog napajanja
Veff ’
Vm
11
27. decembar 2011.
Izvori jednosmernog napajanja
12
2.1 Jednostrano usmeravanje
2.1 Jednostrano usmeravanje
Kroz sekundar transformatora protiče i jednosmerna
struja, čime se kvare performanse transformatora usled
pojave premagnjećenja jezgra
Realni model diode
i
Ieff
27. decembar 2011.
Izvori jednosmernog napajanja
13
27. decembar 2011.
2. Usmeravanje naizmeničnog napajanja
Io
Izvori jednosmernog napajanja
14
2. Usmeravanje naizmeničnog napajanja
2 2 Dvostrano usmeravanje
2.2
2 2 Dvostrano usmeravanje
2.2
VDmax ≈2Vm
27. decembar 2011.
Izvori jednosmernog napajanja
15
27. decembar 2011.
Izvori jednosmernog napajanja
16
2.2 Dvostrano usmeravanje
2. Usmeravanje naizmeničnog napajanja
2 2 Dvostrano usmeravanje
2.2
VDmax≈ 2Vm
27. decembar 2011.
VDmax≈ 2Vm
Izvori jednosmernog napajanja
17
27. decembar 2011.
2.2 Dvostrano usmeravanje
Veff
Izvori jednosmernog napajanja
2.2 Dvostrano usmeravanje
Vo
Veff
Veff ’
Vo ≈
Ukupna efektivna vrednost napona na potrošaču Veff
(___
2 puta veća od jednostranog)
Efektivna vrednost naizmenične komponente
napona na potrošaču Veff ’ je
27. decembar 2011.
Veff '
π2
≈
−1 ≈ 1.21
4
Vo jednosmernog
Izvori
napajanja
γ=
Uo
Veff ’
Jednosmerna komponenta
p
napona
p
na
potrošaču Vo (dva puta veća od jednostranog)
(manja od jednostranog
18
)
2
V
Vm = m
π
1.57
Faktor talasnosti kod dvostranog usmeravanja iznosi
V
Veff = m
2
Veffff ' = Vo
π2
8
γ=
Veff '
= π 2 /8 − 1 ≈ 0.48
Vo
−1
19
27. decembar 2011.
Izvori jednosmernog napajanja
20
2.2 Dvostrano v.s. jednostrano usmeravanje
2.2 Dvostrano v.s. jednostrano usmeravanje
Vo ≈
Vo
Veff ’
Veff ' = Vo
γ=
π2
8
−1 ≈ 0,48Vo
Veff '
= π 2 /8 − 1 ≈ 0.48
Vo
Vo
Izvori jednosmernog napajanja
Veffff ' = Vo
π2
4
−1 ≈ 1,21Vo
V '
π2
γ = eff ≈
−1 ≈ 1.21
1 21
Vo
4
+ Ukupna jednosmerna komponenta udvostručena
+ Na potrošaču samo parni harmonici napona
V
V
Vo ≈ m = m
π 3.14
Veff ’
27. decembar 2011.
2
V
Vm = m
π
1.57
+ Kroz sekundar ne protiče jednosmerna komponenta
struje
- Sekundar mora da ima simetrični izlaz
= Najveći inverzni napon na diodi je ≈2Vm!!!
21
27. decembar 2011.
2.2 Dvostrano usmeravanje
Izvori jednosmernog napajanja
22
2.2 Dvostrano usmeravanje
G
Grecov
spojj (Gretz)
(G t )
27. decembar 2011.
Izvori jednosmernog napajanja
Gretzov spoj
23
27. decembar 2011.
Izvori jednosmernog napajanja
24
2.2 Dvostrano usmeravanje
2.2 Dvostrano usmeravanje
Gretzov spoj
v.s.
+ Sekundar NE mora da ima simetrični izlaz
+ Najveći inverzni napon na diodi je Vm a ne 2 Vm !!!
27. decembar 2011.
Izvori jednosmernog napajanja
25
2.2 Dvostrano usmeravanje Grecov spoj v.s. jednostrano
27. decembar 2011.
Izvori jednosmernog napajanja
26
2. Usmrači napona
ZAKLJUČAK
Funkcija:
Od naizmeničnog
i
ič
napona prave jjednosmerni
d
i
vs
v.s.
+ Ukupna
p jjednosmerna komponenta
p
udvostručena
+ Na potrošaču samo parni harmonici napona
Jednostrano
Dvostrano
+ Kroz sekundar ne protiče DC komponenta struje
+ Sekundar
S k d ne mora d
da iima simetrični
i t ič i izlaz
i l
+ Najveći inverzni napon na diodi je takođe Vm
27. decembar 2011.
Izvori jednosmernog napajanja
27
27. decembar 2011.
Izvori jednosmernog napajanja
28
2. Usmrači napona
2. Usmerači naizmeničnog napona
ZAKLJUČAK
2.3 Udvostručavač napona
Realizacija:
Jednostrano
+
Vm
+
Dvostrano
Vm
+
2Vm
Vm
+
27. decembar 2011.
Izvori jednosmernog napajanja
29
27. decembar 2011.
2.3 Udvostručavač napona
Za veoma velike vrednosti
otpora potrošača Vp = 2 Vm
Vm
(τ pražnjenja veliko)
Izvori jednosmernog napajanja
30
2.3 Udvostručavač napona
Vm
Vm /2
Vm /2
Vm
Vm
27. decembar 2011.
2Vm
Izvori jednosmernog napajanja
31
27. decembar 2011.
Izvori jednosmernog napajanja
32
2.3 Udvostručavač napona
2.3 Umnožavač napona
n-ta ćelija
Vpn
Za veoma velike vrednosti otpora potrošača
Vp = 2nV
2 Vm, gde
d jje n broj
b j sekcija
k ij
27. decembar 2011.
Izvori jednosmernog napajanja
33
27. decembar 2011.
Izvori jednosmernog napajanja
3. Filtriranje usmerenog napona
Posle zakočenja diode, akumulirana energija u kalemu
dopušta protok struje u istom smeru u kome je i ranije
proticala.
ti l
Potrošač i L čine naponski razdelnik za naizmenični
signal
i
l dok
d k DC k
komponenta
t nije
ij oslabljena
l blj
jjer jje ZL=0.
0
v=Rp v1 /(ZL+Rp)
Slabljenje će biti veće ako je L veće ili Rp manje.
Veće je slabljenje viših harmonika jer pri višim
frekvencijama ZL ima veću vrednost.
Treba da eliminiše naizmeničnu komponentu napona
Zato se koristi propusnik niskih frekvencija
Izvori jednosmernog napajanja
34
Induktivni filtar
3 Filtriranje usmerenog napona
3.
27. decembar 2011.
Izvori jednosmernog napajanja
35
27. decembar 2011.
Izvori jednosmernog napajanja
36
3. Filtriranje usmerenog napona
3. Filtriranje usmerenog napona
Induktivni filtar
Induktivni filtar
Priključivanje induktivnog filtra na dvostrani umerač.
Zavisnost struje kroz potrošač od odnosa (ωL)/Rp
27. decembar 2011.
Izvori jednosmernog napajanja
37
27. decembar 2011.
3. Filtriranje usmerenog napona
Kapacitivni filtar
γ=
U idealnom slučaju jednosmerna
komponenta napona na
kondenzatoru
Vo = Vp=Vm.
1 Rp
3 2 ωL
Vm
DC napon na potrošaču ne zavisi od otpornosti
potrošača ako se zanemare otpornosti dioda i kalema.
Vo =
38
3. Filtriranje usmerenog napona
Induktivni filtar
Faktor talasnosti
Izvori jednosmernog napajanja
2Vm
= 0.637⋅Vm
π
Relativno mala poboljšanja postignuta.
Racionalna je jedino primena pri velikim strujama.
strujama
27. decembar 2011.
Izvori jednosmernog napajanja
39
27. decembar 2011.
Izvori jednosmernog napajanja
40
3. Filtriranje usmerenog napona
3. Filtriranje usmerenog napona
Kapacitivni
p
filtar
Kapacitivni
p
filtar
Dioda vodi samo
u kratkom
intervalu kada je
anoda
d na višem
iš
potencijalu od
katode.
U realnim uslovima kondenzator se
puni preko male otpornosti diode koja vodi‚
a prazni preko otpora Rp.
Tada se
dopunjuje
naelektrisanje na
C koje se izgubilo
t k
tokom
iintervala
t
l
T, kada je dioda
bila zakočena.
27. decembar 2011.
Izvori jednosmernog napajanja
41
27. decembar 2011.
3. Filtriranje usmerenog napona
42
3. Filtriranje usmerenog napona
Kapacitivni
p
filtar
Kapacitivni
p
filtar
Ugao provođenja diode
Vmcos(ωΔt)=
) Vm- ΔV
za malo ωΔt važi
cos(ωΔt) ≈ 1-(1/2) (ωΔt)2
Analiza rada na osnovu pojednostavljenog talasnog
oblika signala na potrošaču.
Vo = Vm-ΔV/2.
Vm-ΔV=
ΔV= Vm e-T/(CR)
ωΔt≈ 2ΔV/Vm
za CR>>T,
e-T/(CR)≈1-T/(CR)
tako da je
j
ΔV ≈ VmT/(CR)=Vm/(fCR)
27. decembar 2011.
Izvori jednosmernog napajanja
Izvori jednosmernog napajanja
Srednja vrednost
struje kroz diodu
računa se analizom
količine naelektrisanja
na kondenzatoru
43
27. decembar 2011.
Izvori jednosmernog napajanja
44
3. Filtriranje usmerenog napona
3. Filtriranje usmerenog napona
Kapacitivni
p
filtar
Kapacitivni
p
filtar
Q+ = ICΔt=Q-= CΔV, znajući da je
IC = Id – Io dobija se srednja vrednost struje kroz
diodu od
Rešavanjem diferencijalne jednačine
id=C(du/dt)+i , za t=t1=-Δt, dobija se
maksimalna vrednost struje
j kroz diodu od
Id ≈ Io (1+ π 2Vm/ΔV )
Id max ≈ Io (1+ 2π 2Vm/ΔV )
(Z Vm=10V,
(Za
10V ΔV=0.2V,
ΔV 0 2V Id=32.14I
32 14Io)
Za Vm >> ΔV, što je obično ispunjeno:
Srednja vrednost struje kroz diodu mnogo je
veća od jednosmerne struje kroz potrošač
jer je
Idmax ≈ 2Io (1/ 2 + π 2Vm/ΔV ) ≈ 2Id >> 2Io
Vm >>ΔV!!!
27. decembar 2011.
Voditi računa kada se bira dioda!!!
Izvori jednosmernog napajanja
45
27. decembar 2011.
3. Filtriranje usmerenog napona
Izvori jednosmernog napajanja
46
3. Filtriranje usmerenog napona
Kapacitivni filtar – dvostrano
Kapacitivni
p
filtar
C
Da bi se odredio faktor talasnosti posmatra se
pojednostavljen talasni oblik signala na potrošaču.
Vo ≈ Vm-ΔV/2.
Vo =
Faktor talasnosti
27. decembar 2011.
Perioda je smanjena na T/2 tako da je
Vm
ΔV ≈ VmT/ (2CR)=Vm/(2fCR)
⎛
⎞
⎜1 + π ⎟
⎟
⎜
⎝ ωRpC ⎠
Dva puta manje za isto C i R!!!
ili
Da bi se dobilo isto ΔV, može da se upotrebi dva
puta manje C (!!! dimenzije !!!)
π 1
1 1
γ=
≈
3 ωRpC ϖ =100π 171 RpC
Izvori jednosmernog napajanja
47
27. decembar 2011.
Izvori jednosmernog napajanja
48
3. Filtriranje usmerenog napona
3. Filtriranje usmerenog napona
Kapacitivni filtar – dvostrano
Kapacitivni
p
filtar - dvostrano
Ugao provođenja diode Vmcos(ωΔt)= Vm- ΔV
za malo
l ωΔt
Δt važi
ži cos(ωΔt)
( Δt) ≈ 1-(1/2)
1 (1/2) (ωΔt)
( Δt)2
C
Jednosmerni napon na potrošaču
k dd
kod
dvostranog
t
usmerača
č
Vo =
ωΔt ≈ 2ΔV/Vm
Vm
⎛
⎞
⎜1 + π ⎟
⎜ 2ωR C ⎟
p ⎠
⎝
Isti izraz kao kod
jednostranog
Faktor talasnosti dva puta manji nego kod jednostranog
za isto R i C
γ=
27. decembar 2011.
π
1
1 1
≈
2 3 ωRpC ϖ =100π 346 RpC
Izvori jednosmernog napajanja
49
3. Filtriranje usmerenog napona
50
Kapacitivni filtar - dvostrano (maksimalna struja kroz diode)
Q+ = ICΔt=Q-= CΔV, znajući da je IC = Id – Io dobija
se srednja
d j vrednost
d t struje
t j k
kroz di
diodu
d od
d
Rešavanjem diferencijalne jednačine
id=C(du/dt)+i , za t=t1=-Δt, dobija se
maksimalna vrednost struje
j kroz diodu od
⎛
V ⎞
Id ≈ Io ⎜⎜1 + π m ⎟⎟
2ΔV ⎠
⎝
⎛
V ⎞
Idmax ≈ Io ⎜⎜1 + 2π m ⎟⎟
2ΔV ⎠
⎝
Srednja vrednost struje kroz diodu veća je od
jednosmerne struje kroz potrošač,
ali je skoro 2x manja nego kod jednostranog
usmerača!!!
(Za Vm=10V, ΔV=0.2V, Id=16.7Io)
Izvori jednosmernog napajanja
Izvori jednosmernog napajanja
3. Filtriranje usmerenog napona
Kapacitivni filtar - dvostrano (srednja vrednost struje kroz diodu)
27. decembar 2011.
27. decembar 2011.
51
Za Vm >> ΔV što je obično ispunjeno, dobija se
Idmax ≈ 2Id >> Io
Maksimalna struja kroz diode kod dvostranog,
probližno 2x je manja od one kod jednostranog
27.
decembar 2011.
Izvori jednosmernog napajanja
usmeravanja.
52
3. Filtriranje usmerenog napona
3. Filtriranje usmerenog napona
Kapacitivni
p
filtar – opšte
p napomene
p
Kapacitivni
p
filtar
C
Jednosmerna komponenta napona na potrošaču kada
j primenjen
je
i
j kapacitivni
k
iti i filtar
filt približno
ibliž je
j jednaka
j d k
maksimalnoj vrednosti ulaznog naizmeničnog napona:
1 41 puta veća od efektivne vrednosti.
1.41
vrednosti
Izvori jednosmernog napajanja
Potrošač R=100Ω p
priključen
j
jje p
preko usmerača sa
Grecovim spojem na naizmenični napon frekvencije
50Hz i amplitude
p
12V. Ako jje p
pad napona
p
na
diodama Vd=0.8V odrediti:
a)) vrednost
d tCk
kapacitivnog
iti
filt
filtra priključenog
iklj č
paralelno potrošaču koja će obezbediti odstupanje
napona ΔV< 1V;
1V
g napona
p
na p
potrošaču;;
b)) vrednost jjednosmernog
Kapacitivni filtar ima relativno mali faktor
talasnosti pri velikim otpornostima potrošača
27. decembar 2011.
c) vrednost jednosmerne struje kroz potrošač;
53
27. decembar 2011.
3. Filtriranje usmerenog napona
Kapacitivni
p
filtar
Izvori jednosmernog napajanja
54
3. Filtriranje usmerenog napona
Domaći 12.2:
Induktivni
Za usmerač sa kapacitivnim filtrom iz prethodnog
primera odrediti:
Faktor talasnosti
a) ugao provođenja diode i iskazati ga u % u odnosu
na periodu ulaznog signala (50Hz);
J d
Jednosmerni
i napon Vo =
c) maksimalnu struju kroz diodu;
d) maksimalni inverzni napon na diodi;
Sa stanovišta Rp
e) predložiti tip diode koji se može primeniti za ovu
namenu
Izvori jednosmernog napajanja
γ=
v.s.
1 Rp
3 2 ωL
kapacitivni filtar
γ=
π
1
2 3 ωRpC
v.s.
b) srednju struju kroz diodu;
27. decembar 2011.
Domaći 12.1:
55
27. decembar 2011.
2Vm
= 0.637Vm
π
Bolji za manje Rp
Izvori jednosmernog napajanja
Vo =
Vm
⎛
⎞
⎜1 + π ⎟
⎜ 2ωR C ⎟
p ⎠
⎝
Bolji za veće Rp
56
3. Filtriranje usmerenog napona
3. Filtriranje usmerenog napona
L - filtar
L - filtar
Postoji vrednost induktivnosti pri kojoj napon ne
zavisi od struje potrošača.
Kompromis
p
između induktivnogg i kapacitivnog.
p
g
U intervalu kada se kondenzator prazni, induktivnost
nadoknađuje gubitke
gubitke.
To je kritična induktivnost Lk=Rp/(3ω)
Pri malim strujama dominira kapacitivni, a pri
velikim induktivni deo.
Ekvivalentno Rp redukuje se vezivanjem dodatne
otpornosti paralelno sa potrošačem.
27. decembar 2011.
Izvori jednosmernog napajanja
Za velike vrednosti Rp, Lk je veliko.
57
27. decembar 2011.
Izvori jednosmernog napajanja
3. Filtriranje usmerenog napona
3. Filtriranje usmerenog napona
Π - filtar
L - filtar
Faktor talasnosti
γ=
1
1
6 2 ω LC
Daje veći napon na potrošaču i manji faktor talasnosti.
2
Jednosmerni napon na potrošaču
Projektuje
P
j k j se tako
k ššto se odredi
d di Lk, a zatim
i se, na
osnovu željene vrednosti za γ, određuje C.
1
1
2 ω3C1C2LRp
j d t
jednostrano
Izvori jednosmernog napajanja
Vo =
Faktor talasnosti
γ=
27. decembar 2011.
58
59
27. decembar 2011.
γ=
1
Vm
⎛
⎞
⎜1 + 1 ⎟
⎜ 4fR ⎟
p⎠
⎝
1
3
4 2 ω C1C2LRp
d t
dvostrano
Izvori jednosmernog napajanja
60
3. Filtriranje usmerenog napona
3. Filtriranje usmerenog napona
Π - filtar
Zaključak
j
Može umesto L da se stavi R koji bi zamenio ωL.
Da bi se zamenilo L=10H,
L=10H treba R=6280Ω !!!
Funkcija:
Smanjuju talasnost usmernog napona time što
smanjuju naizmeničnu komponentu uz što manje
slabljenje jednosmerne komponente
R
Faktor talasnosti za jednostrano
γ=
27. decembar 2011.
1
1
2 ω2C1C2RRp
Izvori jednosmernog napajanja
61
27. decembar 2011.
3. Filtriranje usmerenog napona
62
Izvori jednosmernog napajanja
Zaključak
j
Sadržaj
1. Uvod
2. Usmerači napona
2.1 Jednostrano usmeravanje
2.2 Dvostrano usmeravanje
23U
2.3
Umnožavažavači
ž
ž
či napona
3. Filtriranje usmerenog napona
4. Stabilizatori – regulatori
g
napona
p
4.1 Linearni stabilizatori napona
4.1.1 Stabilizatori sa Zener diodom
4 1 2 Paralelni stabili
4.1.2
stabilizatori
atori
4.1.3 Redni stabilizatori napona
4.2 Prekidački stabilizatori napona
4.2.1 Spuštači napona
4.2.2 Podizači napona
4 2 3 Invertori
4.2.3
Realizacija:
- Induktivni,
C
- Kapacitivni
- Kombinacija
K bi ij
R
- RC
27. decembar 2011.
Izvori jednosmernog napajanja
Izvori jednosmernog napajanja
63
27. decembar 2011.
Izvori jednosmernog napajanja
64
4. Stabilizatori - regulatori napona
4. Stabilizatori - regulatori napona
Napon
p na izlazu usmerača i filtra zavisi od:
Da bi se od mrežnog napona dobio jednosmerni
napon željene vrednosti, potrebno je
1. smanjiti njegovu vrednost
2. usmeriti ga (napraviti jednosmerni napon)
- amplitude naizmeničnog napona kojim
pobuđuju (na izlazu transformatora).
transformatora)
- Otpornosti potrošača
3. ukloniti naizmeničnu komponentu (“ispeglati”)
4 stabilisati – regulisati ga
4.
(učiniti nezavisnim od promena uslova rada
potrošača i/ili napona mreže)
Rp
Vo =
27. decembar 2011.
Izvori jednosmernog napajanja
65
Vo =
Vm
⎛
⎞
⎜1 + π ⎟
⎜ 2ωR C ⎟
p ⎠
⎝
27. decembar 2011.
4. Stabilizatori - regulatori napona
Izvori jednosmernog napajanja
66
Napon na izlazu stabilizatora ne treba da zavisi od
p
promena:
- a) ulaznog napona (napona na izlazu iz filtra)
- b) otpornosti
t
ti potrošača
t š č ((struje
t j k
kroz potrošač)
t š č)
Elektronsko kolo koje obezbeđuje stabilan izlazni
napon naziva se stabilizator ili
regulator napona (voltage regulator).
- c) temperature
Ios=Ip
Filter
Izvori jednosmernog napajanja
Vm
⎛
⎞
⎜1 + 1 ⎟
⎜ 4 fR ⎟
p⎠
⎝
4. Stabilizatori - regulatori napona
Cilj je da jednosmerni napon bude konstantan,
odnosno stabilan,
stabilan nezavisan od promene napona na
ulazu i/ili otpora potrošača
27. decembar 2011.
se
67
27. decembar 2011.
V
Uo
Stabilizator
U
Vos
Izvori jednosmernog napajanja
Potrošač
68
4. Stabilizatori - regulatori napona
4. Stabilizatori - regulatori napona
St bili t jje id
Stabilizator
idealan
l ako
k jje faktor
f kt stabilizacije=0
t bili ij 0
Kvalitet stabilizatora određuje osetljivost izlaznog
napona
p
na p
promene:
- a) ulaznog napona (napona na izlazu iz filtra)
S=
ΔVos
ΔVo
Stabilizator je dobar ako je faktor stabilizacije mali
S < 0.1%
I os =C ta
T =C ta
ova veličina naziva se
27. decembar 2011.
faktor stabilizacije
(line regulation)
Izvori
Prof.jednosmernog
dr Predrag Petković
napajanja
69
27. decembar 2011.
4. Stabilizatori - regulatori napona
ΔVos
ΔI os
=
Vo =C ta
T =C ta
ova veličina naziva se
27. decembar 2011.
ΔVos
ΔI p
70
4. Stabilizatori - regulatori napona
Kvalitet stabilizatora određuje osetljivost izlaznog
napona na promene:
- b) otpora potrošača (napona na izlazu iz filtra)
Kvalitet stabilizatora određuje osetljivost izlaznog
napona
p
na p
promene:
- b) otpora potrošača (napona na izlazu iz filtra)
Ro =
Izvori
Prof.jednosmernog
dr Predrag Petković
napajanja
, jjer jje I os = I p
Vo =C ta
T =C ta
dinamička izlazna otpornost
Izvori
Prof.jednosmernog
dr Predrag Petković
napajanja
71
27. decembar 2011.
Izvori
Prof.jednosmernog
dr Predrag Petković
napajanja
72
4. Stabilizatori - regulatori napona
4. Stabilizatori - regulatori napona
St bili t jje id
Stabilizator
idealan
l ako
k jje Ro=00
Ako jje potrošač
Ak
t š č
operacioni
pojačavač,
j č
č
IDD=ΣIDDi,
gde su IDDi struje
kroz svaku granu
vezanu
e an zaa VDD
Stabilizator je dobar ako je Ro < 10Ω
Ios=Ip
R
Vos o
Ios=IDD
R
Vos o
V’os
Stabilizator
Potrošač
V 'os = Vp = Vos − I os ⋅ Ro
27. decembar 2011.
VDD
Stabilizator
Stab
ato
VDD
Potrošač
ot ošač
VDD = Vos − I DD ⋅ Ro
Izvori
Prof.jednosmernog
dr Predrag Petković
napajanja
VDD = Vos − I DD ⋅ Ro
73
27. decembar 2011.
4. Stabilizatori - regulatori napona
Izvori
Prof.jednosmernog
dr Predrag Petković
napajanja
74
Stabilizatori - regulatori napona
Alt
Alternativno
ti
se definiše
d fi iš faktor
f kt opterećenja
t ć j
(load regulation)
Kvalitet stabilizatora određuje i osetljivost izlaznog
napona
p
na p
promene
- c) temperature
V − V'os min
S P = os
=
V'os min
27. decembar 2011.
Vos − V'os
V'os
Izvori
Prof.jednosmernog
dr Predrag Petković
napajanja
I os = I os max
ST =
I os = I os max
75
27. decembar 2011.
ΔVos
ΔT
I os = Cta
Vos =C ta
Izvori
Prof.jednosmernog
dr Predrag Petković
napajanja
76
4.1.1 Stabilizatori - regulatori napona sa Zener diodom
Izvori jednosmernog napajanja
Sadržaj
1. Uvod
2. Usmerači napona
2.1 Jednostrano usmeravanje
2.2 Dvostrano usmeravanje
23U
2.3
Umnožavažavači
ž
ž
či napona
3. Filtriranje usmerenog napona
4. Stabilizatori – regulatori
g
napona
p
4.1 Linearni stabilizatori napona
4.1.1 Stabilizatori sa Zener diodom
4 1 2 Paralelni stabili
4.1.2
stabilizatori
atori
4.1.3 Redni stabilizatori napona
4.2 Prekidački stabilizatori napona
4.2.1 Spuštači napona
4.2.2 Podizači napona
4 2 3 Invertori
4.2.3
27. decembar 2011.
Izmin
Simbol
Karakteristika pri inverznoj polarizaciji
Izvori jednosmernog napajanja
77
4.1.1 Stabilizatori - regulatori napona sa Zener diodom
27. decembar 2011.
Iz
Io
IP
IP
Iz
Pretpostavimo da struja IP poraste zato što
se smanji
ji RP.
Ako je dioda idealna, biće Vos=Vz.
j Io da p
poraste.
Tada će struja
Ako je dioda idealna, biće Vos=Vz,
zato će struja kroz potrošač ostati ista
Ios=IP=Vz/Rp,
jer će “višak”
višak struje da ide kroz diodu.
diodu
Izvori
Prof.jednosmernog
dr Predrag Petković
napajanja
78
Vo − Vz
V
= I o = I z + I os = I z + z
R
Rp
P t t i
Pretpostavimo
da
d napon Vo poraste.
t
27. decembar 2011.
Izvori
Prof.jednosmernog
dr Predrag Petković
napajanja
4.1.1 Stabilizatori - regulatori napona sa Zener diodom
Vo − Vz
V
= I o = I z + I os = I z + z
R
Rp
Io
Izmax
Model
Tada će struja Io da zadrži vrednost, ali će
struja
j kroz diodu da se smanji.
j
79
27. decembar 2011.
Izvori
Prof.jednosmernog
dr Predrag Petković
napajanja
80
4.1.1 Stabilizatori - regulatori napona sa Zener diodom
4.1.1 Stabilizatori - regulatori napona sa Zener diodom
Vo − Vz
V
= I o = I z + I os = I z + z
R
R
Io
Iz
Vo − Vz
V
= I o = I z + I os = I z + z
R
Rp
Io
IP
Kroz diodu će proticati minimalna struja
kada jje struja
j kroz p
potrošač maksimalna.
27. decembar 2011.
Izvori
Prof.jednosmernog
dr Predrag Petković
napajanja
Iz
Iz
IP IP
Kroz diodu će proticati maksimalna struja
kada jje struja
j kroz p
potrošač minimalna.
27. decembar 2011.
81
4.1.1 Stabilizatori - regulatori napona sa Zener diodom
Izvori
Prof.jednosmernog
dr Predrag Petković
napajanja
82
4.1.1 Stabilizatori - regulatori napona sa Zener diodom
Vo − Vz
V
= I o = I z + I os = I z + z
R
Rp
Io
Iz
Vos
Vo
IP
Vos =
27. decembar 2011.
Izvori
Prof.jednosmernog
dr Predrag Petković
napajanja
rz||RP
R||RP
Vz
Vo +
R||RP + rz
rz||RP + R
Za rz<<RP i RP<<R
r
r
RP
Vos ≈ z Vo +
Vz ≈ z Vo + Vz ≈ Vz
rz + R
RP + rz
R
0
0
0
83
27. decembar 2011.
Izvori
Prof.jednosmernog
dr Predrag Petković
napajanja
84
4.1.1 Stabilizatori - regulatori napona sa Zener diodom
Ios
Io
IP
Iz
ΔVos =
rz||RP
ΔVo
rz||RP + R
ΔVos ≈
rz
r
ΔVo ≈ z ΔVo
rz + R
R
S=
Ios
Io
IP
Iz
27. decembar 2011.
4.1.1 Stabilizatori - regulatori napona sa Zener diodom
Ios
Io
ΔVos rz
≈
ΔVo R
Io
85
4.1.1 Stabilizatori - regulatori napona sa Zener diodom
Iz
∂V
∂V
ST = os ≈ z
∂T
∂T
Iz
27. decembar 2011.
IP
Za idealnu diodu:
ST=0
Izvori
Prof.jednosmernog
dr Predrag Petković
napajanja
IP
Za idealnu diodu, rz=0:
Ro=00
Izvori
Prof.jednosmernog
dr Predrag Petković
napajanja
86
Iz
IP
Izbor diode za zadate
vrednosti Vo, Vos i
opseg
p gp
promene Rp
Izabere se vrednost R tako da radna tačka diode bude
na sredini dinamičkog opsega između Izmin i Izmax.
Pri tome je Izmax=P
Pd/Vz ;
Izmin, Pd i Vz dati su u katalogu.
Ios
Io
Iz
27. decembar 2011.
Io
IP
Ro ≈ rz
4.1.1 Stabilizatori - regulatori napona sa Zener diodom
Ios
Io
rR
ΔVos
= z
ΔI os rz + R
Ios
Za idealnu diodu, rz=0:
S=0
Izvori
Prof.jednosmernog
dr Predrag Petković
napajanja
IP
Iz
Ro =
87
27. decembar 2011.
Izvori
Prof.jednosmernog
dr Predrag Petković
napajanja
88
4.1.1 Stabilizatori - regulatori napona sa Zener diodom
4.1.1 Stabilizatori - regulatori napona sa Zener diodom
ΔVos
Ios
Io
Iz
Io
IP
IzM
IzM
Ako se otpornost potrošača smanji,
IzM = (Izmin + Izmax)/2 ≈ Izmax/2
povećaće
ć ć se struja
t j IP, a smanjiće
jić se strja
t j I z.
R=(Vo-Vz)/IzM
27. decembar 2011.
IP
Iz
Napon Vos smanjiće se za ΔVos
Izvori
Prof.jednosmernog
dr Predrag Petković
napajanja
89
27. decembar 2011.
4.1.1 Stabilizatori - regulatori napona sa Zener diodom
Izvori
Prof.jednosmernog
dr Predrag Petković
napajanja
4.1.1 Stabilizatori - regulatori napona sa Zener diodom
Ios
ΔVos
Io
Iz
Io
IP
Izmax
IzM
RPmin=Vz/(Izmax – Izmin) ≈ Vz/Izmax.
Napon Vos povećaće se za ΔVos
Izvori
Prof.jednosmernog
dr Predrag Petković
napajanja
IP=0
Da bi se zaštitila dioda od
pregorevanja, R može da
se izabere tako da p
pri
najnepovoljnijim uslovima,
struja
j kroz diodu ne bude
veća od Izmax:
R=(Vo-V
Vz)/Izmax
Tada postoji realna opasnost da se pri malim
otpornostima
t
ti
potrošača
t š č izgubi
i bi stabilizaciono
t bili i
d jt
dejstvo,
jer će struja kroz diodu da opadne ispod Izmin.
Ako se otpornost potrošača poveća,
smanjiće se struja IP, a povećaće se sturja Iz
27. decembar 2011.
90
91
27. decembar 2011.
Izvori
Prof.jednosmernog
dr Predrag Petković
napajanja
92
4.1.1 Stabilizatori - regulatori napona sa Zener diodom
4.1.1 Stabilizatori - regulatori napona sa Zener diodom
P i
Primer:
P i
Primer:
Napon ispred stabilizatora
Napon
p iza stabilizatora
27. decembar 2011.
Izvori jednosmernog napajanja
93
4.1.1 Stabilizatori - regulatori napona sa Zener diodom
Izvori
Prof.jednosmernog
dr Predrag Petković
napajanja
94
4.1.1 Stabilizatori - regulatori napona sa Zener diodom
P i
Primer:
K kt i tik Zener
Karakteristike
Z
dioda
di d
Regulacija se izgubila pri otpornosti potrošača od 150 Ω.
27. decembar 2011.
27. decembar 2011.
Izvori
Prof.jednosmernog
dr Predrag Petković
napajanja
95
27. decembar 2011.
Izvori jednosmernog napajanja
96
4.1.1 Stabilizatori - regulatori napona sa Zener diodom
4.1.1 Stabilizatori - regulatori napona sa Zener diodom
Karakteristike
K
kt i tik Zener
Z
dioda
di d
Tabela 1
27. decembar 2011.
Karakteristike
K
kt i tik Zener
Z
dioda
di d
Tabela 1 nastavak
Izvori jednosmernog napajanja
97
4.1.1 Stabilizatori - regulatori napona sa Zener diodom
Domaći 12.3:
Odrediti R i C u stabilizatoru sa slike tako da jednosmerni
napon na potrošaču Rpmin= 200Ω bude 5V, a ΔVCmax=0.5V.
Upotrebiti zener diodu 1N5231B iz Tabele 1. Usvojiti da je
efektivna vrednost napona na izlazu transformatora 2x12V i
da se na diodama 1N4148 pad napona VD=0,7V
=0 7V kada vode.
vode
1N5231B
Rp
27. decembar 2011.
Izvori jednosmernog napajanja
•
Nacrtati blok šemu sistema pomoću koga se iz
mrežnog napona dobija stabilisani
jednosmerni napon i talasne oblike napona za
izlazu svakog bloka.
•
•
99
98
Šta smo naučili?
•
27. decembar 2011.
Izvori jednosmernog napajanja
Skicirati električnu šemu i talasni oblik napona na
izlazu jednostranog usmerača napona bez i sa
kondenzatorom paralelno potrošaču.
Skicirati električnu šemu i talasni oblik napona na
izlazu usmerača napona sa Grecovim spojem bez i
sa kondenzatorom paralelno potrošaču.
Koliki je jednosmerni napon na izlazu usmerača sa
kapacitivnim filtrom ako efektivna vrednost
napona ispred usmerača iznosi 10 V? Zašto?
27. decembar 2011.
Izvori jednosmernog napajanja
100
100
Ispitna pitanja
Rešenje 11.1:
POJAČAVAČI VELIKIH SIGNALA
Za pojačavač sa slike koji radi u klasi B,
B odrediti
1.
2
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Jednostrano usmeravanje (šema, talasni oblici, jednosmerni napon i faktor
talasnosti).
D t
Dvostrano
usmeravanje
j (šema,
(š
ttalasni
l i oblici,
bli i jednosmerni
j d
i napon i faktor
f kt
talasnosti).
Usmerač za udvostručavanje napona.
Induktivni filtar (šema, princip rada, jednosmerni napon i faktor talasnosti).
Kapacitivni filtar (šema, princip rada, jednosmerni napon i faktor
)
talasnosti).
Π-filtar (šema i osobine).
Stabilizator jednosmernog napona (namena, princip rada, parametri i
njihove idealne vrednosti).
Faktor stabilizacije.
Stabilizator sa Zenerovom diodom (šema, princip rada, jednosmerni napon,
faktor stabilizacije
stabilizacije, izlazna otpornost i dimenzionisanje otpornika).
otpornika)
a) vrednost VCC, tako da bude za 5V veći od maksimalnog napona na potrošaču od
j
ostvaruje
j korisna snaga
g od 20W.
8Ω, kada se na njemu
b) maksimalnu struju svakog tranzistora,
c) ukupnu snagu izvora napajanja,
d) stepen korisnog dejstva i
e) maksimalnu disipiranu snagu na svakom
tranzistoru.
a ) Pk =
Vu
Rp
1 Vim 2
⇒ Vim = 2 RP Pk = 2 ⋅ 8Ω ⋅ 20W = 17,88V
2 RP
VCC > Vim + 5V = 22,88V usvajamo VCC = 23V.
23V
b) I C1 max = I p max =
V p max
c ) PCC1 = I CC1 ⋅VCC =
Rp
1
π
=
17,88
= 2,24 A
8
I C max ⋅VCC =
1
2,24 ⋅ 23 = 16,4W
3.14
PCC = 2 PCC1 = 32,8W
27. decembar 2011.
Rešenje 11.1:
Izvori jednosmernog napajanja
101
Rešenje 11.2:
POJAČAVAČI VELIKIH SIGNALA
Pojačavači velikih signala
Izvori jednosmernog napajanja
20. decembar 2011.
101
102
POJAČAVAČI VELIKIH SIGNALA
Za pojačavač sa slike koji radi u klasi B,
B odrediti
Za pojačavač sa slike koji radi u klasi B poznato je: VCC = 6V,
6V Rp=4Ω
4Ω i βN=βP=50
50.
a) vrednost VCC, tako da bude za 5V veći od maksimalnog napona na potrošaču od
Izmerena je maksimalna vrednost izlaznog napona Vpmax=4.5V. Odrediti:
j
ostvaruje
j korisna snaga
g od 20W.
8Ω, kada se na njemu
a))
Snagu
g na potrošaču
p
b) maksimalnu struju svakog tranzistora,
c) ukupnu snagu izvora napajanja,
d) stepen korisnog dejstva i
e) maksimalnu disipiranu snagu na svakom
tranzistoru.
b)
Snagu svakog izvora
c)
Stepen iskorišćenja
d)
Maksimalnu ulaznu struju
e)
Snagu disipacije svakog tranzistora.
Vu
Rp
20. decembar 2011.
1
1
Pojačavači velikih signala
Izvori jednosmernog napajanja
1 V p max
1 4.52
=
= 2,53W
2 RP
2 4
b) PCC1 = I CC1 ⋅VCC =
1 VCC 2
e ) Pd1 = I C1 ⋅VCE max 1 = I C max ⋅ VCE max =
I C max ⋅VCC =
⋅
= 6.7W
π
π
π2
π 2 Rp
1
2
a ) Pk =
P
20
d ) η = k 100 =
100 = 60,98%
PCC
32,8
c) η =
103
103
102
Vu
1 V p max
1 4.5
⋅VCC =
⋅
⋅ 6 = 2,15W
Rp
3.14 4
π
Rp
Pk
1 2,53
100 =
100 = 58,8%
2 PCC1
2 2,15
20. decembar 2011.
Pojačavači velikih signala
104
104
Rešenje 11.2:
POJAČAVAČI VELIKIH SIGNALA
Rešenje 11.3:
Za pojačavač sa slike koji radi u klasi B poznato je: VCC = 6V,
6V Rp=4Ω
4Ω i βN=βP=50
50.
Z pojačavač
Za
j č
č sa slike
lik k
koji
ji radi
di u kl
klasii AB poznato
t jje: VCC = 15V,
15V Rp=100Ω
100Ω ;
Izmerena je maksimalna vrednost izlaznog napona Vpmax=4.5V. Odrediti:
a))
Snagu
g na potrošaču
p
b)
Snagu svakog izvora
c)
Stepen iskorišćenja
d)
Maksimalnu ulaznu struju
e)
Snagu disipacije svakog tranzistora.
d ) I u max =
I C max
β
1 V p max 1 4.5
=
=
= 22,1mA
β +1 Rp
51 4
tranzistori su upareni sa Ιs= 0.1pA i β=50, dok za diode važi da je Isd=21Is.
Odrediti:
a) Struju I tako da kroz diode u
najnepovoljnijem slučaju protiče struja od
1mA;
Vu
1 VCE max 1
1 VCC 1
e ) Pd1 = I C1 ⋅VC1 =
⋅ VCE max =
⋅ VCC
π Rp
π
π 2 Rp π
Lenju struju;
c)
Disipaciju svakog tranzistora i
d)
jednosmerni napon VBB u odsustvu ulaznog
signala.
I C max
β
= I d min +
I
Vu
I P max
β
V
= I d min + CC
βR p
Rp
15
I = 1mA +
= 1mA + 3mA = 4mA
50 ⋅100
6
Pd1 ==
⋅ ⋅ 6 = 0,91W
2 4
3.14
Rešenje 11.3:
b)
a ) I = I d min + I B max = I d min +
Rp
1
20. decembar 2011.
POJAČAVAČI VELIKIH SIGNALA
Pojačavači velikih signala
105
105
20. decembar 2011.
Pojačavači velikih signala
106
106
POJAČAVAČI VELIKIH SIGNALA
Z pojačavač
Za
j č
č sa slike
lik k
koji
ji radi
di u kl
klasii AB poznato
t jje: VCC = 15V,
15V Rp=100Ω
100Ω ;
tranzistori su upareni sa Ιs= 0.1pA i β=50, dok za diode važi da je Isd=21Is.
Odrediti:
b) Lenju struju;
c)
Disipaciju svakog tranzistora i
d)
jednosmerni napon VBB u odsustvu ulaznog
signala.
• Sledećeg časa:
Stabilizatori napona (NASTAVAK)
I
Vu
b) I = I d + I B min
za Vu = 0 , Vd = VBE , a odatle sledi da je I d = (I ds /I s )I B min = 21I B min
I = I d max + I B min = 22 I B min ⇒ I B min = I / 22 = 4 / 22 = 0,18mA
A
Rp
I C min = β I B min = 50 ⋅ 0,18 = 9mA
c) Pdo ≈ 2( I C minVCC ) = 2 ⋅ 9mA ⋅15V = 270mW
d) I d max = I ds (eVd / VT − 1) ⇒ (Vd / VT ) = ln( I d max / I ds ) + 1
VBB = 2Vd = 2VT (ln(21⋅ 0,18mA / 0.1 pA) + 1) = 2 ⋅ 0.026(24.4 + 1) = 1,32V
20. decembar 2011.
Pojačavači velikih signala
107
107
27. decembar 2011.
Izvori jednosmernog napajanja
108
Download

12. Usmerači