ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE
ELEKTROTECHNICKÁ FAKULTA
28260620102012
ZNIŽOVACÍ MENIČ PRE SUPERKAPACITORY
2010
Bc. Róbert Fiľakovský
ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE
ELEKTROTECHNICKÁ FAKULTA
ZNIŽOVACÍ MENIČ PRE SUPERKAPACITORY
DIPLOMOVÁ PRÁCA
Študijný program:
2675836 Výkonové elektronické systémy
Študijný odbor:
5.2.9 Elektrotechnika
Školiace pracovisko: Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta,
Katedra mechatroniky a elektroniky
Školiteľ:
Matěj, Pácha, Ing.
Konzultant:
Peter, Hurtuk, Ing.
2010
Bc. Róbert Fiľakovský
Namiesto tejto strany vložiť zadanie záverečnej
práce!
Abstrakt
Práca sa zaoberá problematikou nabíjania a vybíjania superkapacitorov, ktoré
sa čoraz viac začínajú uplatňovať v rôznych aplikáciách ako zdroje energie. V práci sú
popísané základné zásady ako tieto prvky správne používať, aby nedošlo k ich
poškodeniu. Superkapacitory potrebujú k svojej činnosti zariadenie, od ktorého túto
energiu prijímajú. V ďalších kapitolách je zahrnutá problematika meničov, návrh
konkrétneho systému, ktorý slúži na nabíjanie superkapacitora.
I
ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE, ELEKTROTECHNICKÁ FAKULTA
KATEDRA MECHATRONIKY A ELEKTRONIKY
ANOTAČNÝ ZÁZNAM – DIPLOMOVÁ PRÁCA
Meno a priezvisko: Róbert Fiľakovský
Akademický rok: 2009/2010
Názov práce: Znižovací menič pre superkapacitory
Počet strán: 42
Počet obrázkov: 31
Počet tabuliek: 3
Počet grafov: 14
Počet príloh: 1
Počet použ. lit.: 12
Anotácia v slovenskom jazyku:
Diplomová práca sa zaoberá problematikou akumulačných prvkov – superkapacitorov, rozoberá
ich konštrukciu, použitie, spôsob nabíjania a vybíjania. Taktiež je zameraná na samotný
návrh
a konštrukciu meniča, ktorým sa tieto superkapacitory nabíjajú.
Anotácia v anglickom jazyku:
The thesis deals with the accumulation of elements - supercapacitors, discusses the construction,
use, method of charging and discharging. It is also very focused on the design and construction of the
converter, which charge the following supercapacitors.
Kľúčové slová:
superkapacitory, akumulácia energie, simulácia, DC-DC menič, flyback
Vedúci diplomovej práce: Ing. Matěj Pácha
Konzultant: Ing. Peter Hurtuk
Recenzent: __________________________
Dátum odovzdania práce: 7. mája 2010
II
Obsah
1
Úvod .............................................................................................................. 1
2
Prehľad problematiky nabíjania a vybíjania superkapacitorov ............. 2
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
2.7
2.8
2.9
3
3.1
3.1.1
3.2
3.2.1
3.2.2
3.3
3.4
3.5
Čo je superkapacitor ...................................................................................... 2
Konštrukcia superkapacitora .......................................................................... 4
Prehľad superkapacitorov .............................................................................. 5
Označovanie superkapacitorov ...................................................................... 6
Nabíjanie a vybíjanie superkapacitora ........................................................... 6
Spájanie superkapacitorov ............................................................................. 7
Ako správne používať ultrakapacitory ........................................................... 8
Použitie superkapacitorov .............................................................................. 9
Efektivita superkapacitorov a ich životnosť ................................................ 10
Prehľad a výber najvhodnejšej topológie meniča ................................... 12
Napájacie zdroje........................................................................................... 12
Sieťové napájacie zdroje .............................................................................. 12
Spínané zdroje .............................................................................................. 15
Porovnanie spínaných zdrojov a lineárnych regulátorov ............................. 15
Základné zapojenie spínaných zdrojov ........................................................ 17
Požiadavky na menič ................................................................................... 19
Prehľad topológií meniča ............................................................................. 20
Výber a návrh komponentov meniča ........................................................... 21
4
Overenie návrhu simuláciou ..................................................................... 23
5
Návrh meniča, budiacich a ochranných obvodov, návrh chladenia,
realizácia ..................................................................................................................... 26
5.1
5.2
5.3
5.4
5.5
6
Výber a návrh transformátora ...................................................................... 26
Výber regulačného obvodu .......................................................................... 30
Výber MOSFET tranzistora ......................................................................... 33
Odľahčovacia RC sieť.................................................................................. 34
Fyzikálny model meniča .............................................................................. 35
Záver ........................................................................................................... 42
III
Zoznam obrázkov a tabuliek
Obr. 2.1: Superkapacitor ....................................................................................................... 3
Obr. 2.1.2.1: Porovnanie rôznych zdrojov el. energie .......................................................... 3
Obr. 2.3: Vnútorná štruktúra superkapacitora ...................................................................... 4
Obr. 2.4: Superkapacitor BMOD 016 ................................................................................... 5
Obr. 2.5: Charakteristika nabíjania pri prúdoch 1.5A, 2.5A a 3A ........................................ 7
Obr. 2.6: Životnosť superkapacitora v závislosti od prevádzkového napätia teploty ......... 11
Obr. 3.1 Jednocestný usmerňovač ....................................................................................... 14
Obr. 3.2 Dvojcestný usmerňovač ......................................................................................... 14
Obr. 3.3 Mostíkový usmerňovač .......................................................................................... 14
Obr. 3.4 Bloková schéma spínaného zdroja ........................................................................ 16
Obr. 3.5 Priepustné zapojenie ............................................................................................. 17
Obr. 3.6 Akumulujúce zapojenie .......................................................................................... 18
Obr. 3.7 Rekuperačné vinutie .............................................................................................. 18
Obr. 3.8 Topológia BUCK ................................................................................................... 20
Obr. 3.9 Topológia BUCK-BOOST ..................................................................................... 20
Obr. 3.10 Topológia FORWARD ......................................................................................... 20
Obr. 3.11 Topológia FLYBACK .......................................................................................... 21
Obr. 4.1 Schéma zapojenia simulácie .................................................................................. 23
Obr. 4.2 Priebeh napätia na výstupe meniča....................................................................... 24
Obr. 4.3 Priebeh napätia na drain – source ........................................................................ 25
Obr. 4.4 Priebeh napätia na výstupnej dióde pri spínaní tranzistora ................................. 25
Obr. 5.1 Kontinuálny mód ................................................................................................... 27
Obr. 5.2 Diskontinuálny mód ............................................................................................... 27
Obr. 5.3 Priebehy prúdov na transformátore (kontinuálny režim)...................................... 28
Obr. 5.1 Blokové zapojenie obvodov rady UC3844 ............................................................ 31
Obr. 5.2 Podrobná bloková schéma obvodu UC3844 ......................................................... 31
Obr. 5.3 Voľba frekvencie oscilátora .................................................................................. 32
Obr. 5.4 Voľba Ct na základe doby rozopnutia tranzistora ................................................. 33
Obr. 5.5 RC odľahčovacia sieť primárneho vinutia ............................................................ 34
Obr. 5.6 Zapojenie pomocného odľahčovacieho obvodu .................................................... 35
Obr. 5.7 Skúšobné zapojenie meniča ................................................................................... 36
Obr. 5.8 Návrh dosky plošného spoja (BOTTOM) .............................................................. 36
Obr. 5.9 Návrh dosky plošného spoja(TOP)........................................................................ 37
IV
Obr. 5.10 Fyzikálna vzorka znižovacieho meniča pre superkapacitory .............................. 37
Obr. 5.11 Priebeh zvlnenia napätia pri nezaťaženom zdroji a pri P2=10W ...................... 39
Obr. 5.12 Priebeh zvlnenia napätia na gate a drain pri P2=20W a 30W ........................... 39
Obr. 5.13 Priebeh zvlnenia napätia na source a drain pri P2=0W a 10W.......................... 40
Obr. 5.14 Priebeh zvlnenia napätia na source a drain pri P2=20W a 30W........................ 40
Obr. 5.15 Výstupná charakteristika zdroja .......................................................................... 41
Obr. 5.16 Grafická závislosť účinnosti od zaťaženia zdroja ............................................... 41
Obr. 5.17 Grafická závislosť výstupného výkonu od zaťaženia zdroja ................................ 41
Príloha A: Schéma zapojenia znižovacieho meniča pre superkapacitory ............................. i
Tab. 2.1: Základné parametre akumulačných prvkov ........................................................... 3
Tab. 2.2 Prehľad superkapacitorov ....................................................................................... 5
Tab. 5.1 Namerané hodnoty pri zaťažovaní meniča ............................................................ 38
V
Zoznam skratiek
Skratka
Anglický význam
Slovenský význam
Ni-MH
Nickel metal hydride battery
Li - Ion
Lithium-ion battery
Li - Pol
Lithium-polymer battery
PWM
Pulse width modulation
Pulzne šírková modulácia
PTC
Positive temperature coefficient
Tepelne závislý rezistor
ESR
Equivalent series resistance
Ekvivalentný sériový odpor
DIP8
Dual in-line package (8-pin)
Dvojradové púzdro (8 vývodov)
UVLO
Undervoltage lockout
Blokovanie vplyvom podpätia
VI
Zoznam symbolov
Symbol
Jednotka
Význam symbolu
Zt
[Ω]
Vnútorná impedancia transformátora
Zsek
[Ω]
Impedancia sekundárneho vinutia
Zprim
[Ω]
Impedancia primárneho vinutia
p
[-]
Transformačný pomer
Ud
[V]
Úbytok napätia na dióde
Uin
[V]
Vstupné napätie zdroja
Uout
[V]
Výstupné napätie zdroja
t1
[s]
Interval zopnutia
t2
[s]
Interval vypnutia
dIc
[A]
Derivácia prúdu
N1
[-]
Počet závitov primárneho vinutia
N2
[-]
Počet závitov sekundárneho vinutia
U1
[V]
Napájacie napätie meniča
U2
[V]
Výstupné napätie meniča
Rds
[Ω]
Vnútorný sériový odpor
Ifl
[A]
Prúd pri plnom zaťažení
Ipp
[A]
Maximálne zvlnenie prúdu
Iscpk
[A]
Špičkový prúd
D
[%]
Duty cycle
B
[T]
Magnetická indukcia
Ae
[mm2]
Efektívna plocha jadra
Ve
[mm2]
Efektívny objem jadra
le
[mm]
Efektívna dĺžka
Al
[nH]
Indukčnosť na závit
VII
Dmax
[-]
Maximálny duty cycle
ton
[s]
Čas zopnutia tranzistora
T
[s]
Perióda spínania tranzistora
n
[-]
Pomer závitov transformátora
Vo´
[V]
Výstupné napätie meniča
L
[µH]
Indukčnosť sekundárneho vinutia
Ns1
[-]
Počet závitov sekundárneho vinutia
Np
[-]
Počet závitov primárneho vinutia
Pc
[W]
Straty v jadre
Ltlm
[µH]
Indukčnosť tlmivky
Uref
[V]
Referenčné napätie
Uds
[V]
Napätie drain-source
Ul
[V]
Rozkmit napätia
Ugs
[V]
Napätie gate-source
f
[Hz]
Spínacia frekvencia
VIII
Poďakovanie
Chcel by som poďakovať všetkým, ktorí mi akýmkoľvek spôsobom pomohli pri
spracovaní tejto diplomovej práce. Moje poďakovanie patrí najmä vedúcemu práce,
Ing. Matejovi Páchovi za vedenie, konzultantovi Ing. Petrovi Hurtukovi a ostatným
pracovníkom katedry, za cenné pripomienky pri záverečnom spracovaní práce.
Osobitné poďakovanie patrí mojim rodičom a mojim najbližším, bez ich podpory
a pomoci by som to určite nezvládol.
IX
Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
1 ÚVOD
V súčasnosti sa čoraz viac dostávajú do popredia alternatívne zdroje energie a začínajú
sa čoraz viac uplatňovať v aplikáciách rôzneho druhu. Súčasné zdroje energie sa zmenšujú
a preto sa z energie stáva veľmi vzácny tovar. Vedci preto hľadajú spôsoby, ako by bolo
možné získavať a uskladňovať ešte dostupnú, nevyčerpanú energiu. Jednou z možností je
práve využitie akumulátorov, ktoré sú zostavené z veľkého množstva superkapacitorov,
ktoré dosahujú kapacitu až niekoľko stoviek faradov. Takéto kondenzátorové batérie nie je
problém nabiť na plnú kapacitu, no stále sa hľadajú spôsoby, ako túto kapacitu ešte viac
zvýšiť. Ich výhodou je to, že nevyžadujú takmer žiadnu údržbu, majú veľkú životnosť,
vysokú účinnosť a veľmi rýchlo dokážu dodať maximálny výkon. Aj napriek tomu že sú
tieto akumulačné prvky dosť drahé, využívajú sa ako záložné zdroje energie,
v telekomunikáciách a automobilovom priemysle.
V tejto práci som vykonal analýzu superkapacitorov a podrobne som popísal ich
štruktúru. Uviedol som spôsob označovania a základné zásady, ako by sa s nimi malo
korektne pracovať, aby nedošlo k ich zničeniu.
Po dôkladnom preštudovaní spôsobov nabíjania superkapacitorov som zvolil vhodnú
topológiu meniča. Po dohode s konzultantom diplomovej práce, som navrhol a
skonštruoval znižovací menič. Táto vzorka je vhodná na nabíjanie superkapacitorov, ktoré
majú maximálne dovolené napätie vyššie ako 5V.
1
Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
2 PREHĽAD PROBLEMATIKY NABÍJANIA
A VYBÍJANIA SUPERKAPACITOROV
Jedným z nedoriešených technických problémov súčasnosti je práve uskladňovanie
elektrickej energie. Nakoľko sa táto energia spotrebúva v čoraz väčšom množstve, kladú sa
nároky na jej výrobu z hľadiska emisii. Ideálne by bolo znížiť spotrebu ako
u maloodberateľov, tak u veľkoodberateľov. Jedným z riešení ako sa vysporiadať s týmto
problémom je vo vytváraní nových technológií, ktoré by zaručili podstatne menšiu
energetickú náročnosť. Ideálne by bolo, aby spotrebič elektrickej energie dokázal
spotrebovanú energiu po rozbehu vrátiť späť s určitou účinnosťou. Existujú rôzne metódy
ako akumulovať elektrickú energiu (elektrického alebo magnetického poľa). Jednou
z možností je práve elektrochemická metóda. Táto metóda je založená na elektrochemickej
premene u akumulátorov. Nevýhodou tejto metódy je malá hmotnostná a objemová
hustota. Tento elektrochemický proces má jednu nevýhodu a to tú, že prebieha veľmi dlho.
No tento problém bol už sčasti vylepšený u akumulátorov Ni-MH, Li-Pol alebo Li-Ion.
Stále je tu ale problém odovzdávania veľkej energie v krátkom čase a veľmi malá účinnosť
premeny energie. Existuje ale jeden prvok, ktorý má vysokú energetickú kapacitu, vysokú
účinnosť a ktorý bol vyvinutý vďaka novým technológiám a je ním - superkapacitor.
(MAŠEK Z. , GREGORA S. , MICHL J. , DVOŘÁK K. , 2008)
2.1 ČO JE SUPERKAPACITOR
Superkapacitor na obr. 2.1 je dvojvrstvový elektronický prvok, slúžiaci na
akumuláciu elektrickej energie. Akumulácia prebieha vplyvom vzájomného pôsobenia
elektrických nábojov, pri prekonaní síl elektrického poľa (JANÍČEK, F.,2009) V dnešnej
dobe sú technológie na takej úrovni, že nie je problém vyrobiť superkapacitor s kapacitou
až stoviek faradov. Tieto súčiastky majú takú veľkú hustotu energie, že ich je možné
použiť aj na také aplikácie, kde sa donedávna používali batérie. Nie sú schopné dodávať až
taký objem energie ako akumulátory, avšak majú iné výhody vďaka ktorým sa aj napriek
vysokej cene čoraz viac využívajú a rôznych aplikáciách. Medzi výhody patrí vysoká
hustota energie, bezpečnosť a nízka hmotnosť. V tab. 2.1 sú znázornené hlavné rozdiely
medzi superkapacitorom, kondenzátorom a akumulátorom. Na obr. 2.2 je porovnanie
rôznych zdrojov el. energie. Je tam vyjadrená závislosť mernej energie od merného
2
Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
výkonu. Ultrakapacitory, ako ich možno tiež nazývať, sa môžu nabíjať a vybíjať bez toho,
aby dochádzalo k ich poškodzovaniu. Ich špecifickou vlastnosťou je to, že za veľmi krátky
čas, dokážu uvoľniť nahromadený náboj, čo je pre akumulátory nedosiahnuteľné. Taktiež
dokážu v krátkom čase znova nahromadiť stratenú energiu. Výhodou superkapacitorv je
ich životnosť, ktorá je v porovnaní s akumulátormi rádovo vyššia (ILLINOIS
CAPACITOR, Inc.)
Obr. 2.1: Superkapacitor
Tab. 2.1: Základné parametre akumulačných prvkov
Superkapacitor
Kondenzátor
Akumulátor
Hustota energie
10Wh/kg
0,2Wh/kg
100Wh/kg
Merný výkon
10kW
500kW
1kW
Doba nabíjania
10s
0,001s
5h
Životnosť
1000 000 cyklov
1000 000 cyklov
1000cyklov
Obr. 2.1.2.1: Porovnanie rôznych zdrojov el. energie
3
Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
2.2 KONŠTRUKCIA SUPERKAPACITORA
Superkapacitory sú vyrábané špeciálnou technológiou. Skladajú sa z elektród
a elektrolytu obr. 2.3. Elektródy sú tvorené práškovým uhlíkom (karbónom), ktorý je
nanesený na hliníkovej fólii. Výhodou karbónu je to, že dokáže absorbovať obrovské
množstvo iónov. Elektródy sú od seba oddelené fóliou z polypropylénu, ktorá slúži na
separáciu. Takýto kondenzátor má veľmi veľkú kapacitu a veľmi malý sériový odpor, čo je
vhodné pre akumuláciu a rýchlu dodávku elektrickej energie. V závislosti od vzdialenosti
elektród a od ich plôch sa mení kapacita. To znamená, že čím väčšia je plocha elektród,
tým viac energie je daný kondenzátor prijať. Na druhej strane, čím je väčšia vzdialenosť
elektród, tým bude kapacita menšia. Čiže kapacita je nepriamo úmerná vzdialenosti
elektród a priamo úmerná ploche. Pre dosiahnutie kapacity niekoľkých faradov, sa zvolí
veľká plocha elektród a vzdialenosť uhlíkových zrniek asi 10-10 m. Musíme si uvedomiť,
že vzdialenosťou elektród sa obmedzuje aj prevádzkové napätie. Z toho vyplýva že
superkapacitor musí byť navrhnutý tak, aby nedošlo k prierazu z jednej elektródy na druhú.
Nevýhodou superkapacitorov je to, že majú malú hustotu energie. Práve z toho dôvodu sa
tieto prvky používajú zatiaľ iba ako doplňujúci prvok, ktorý je schopný dodávať
jednorazový špičkový prúd. Iné využitie, ako napríklad veľkokapacitný zdroj energie,
zatiaľ nie je možné (MAXWELL Technologies, 2009).
Obr. 2.3: Vnútorná štruktúra superkapacitora
4
Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
2.3 PREHĽAD SUPERKAPACITOROV
Existuje veľké množstvo rôznych druhov superkapacitorov, ktoré majú rôzne
parametre, vlastnosti a použitie. Líšia sa predovšetkým menovitými napätiami, veľkosťou
kapacity a vnútorného odporu, ktorý by mal nadobúdať čo najmenšie hodnoty. V tab. 2.2 je
základný prehľad superkapacitorov od firmy Maxwell. Superkapacitory ako napríklad
BMOD016 obr. 2.4, ktorý ma kapacitu od 110 do 500F je tvorený paralelným spojením
viacerých superkapacitorov s nižšou kapacitou.
Tab. 2.2 Prehľad superkapacitorov
Kapacita
Napätie
Vnútorný
odpor
Vybíjací
prúd
F
V
mΩ
A
PC
2 ~ 10
2.5 ~ 5
180~ 400
8 ~ 19
HC
5 ~ 150
2.7
14 ~ 200
13 ~ 193
BC
140 ~350
2.5
2.2 ~ 5.0
BCAP
650 ~ 3000
2.7
BPAK
58
BMOD
0
1
BMOD
0
4
BMOD
0
7
BMOD
1
2
Rada
Uložená
energia
Životnosť
cykl
ov
-
Hmotnosť
Kg
Pracovná
tepl
ota
°C
500 000
0.004~0.006
-40~+70
0.005 ~ 0.15
500 000
0.002~0.035
-40~+65
500 ~1500
0.1 ~ 0.3
500 000
0.03 ~ 0.06
-40~+65
0.3 ~ 0.8
3500 ~ 4800
0.66 ~ 3.0
1000 000
0.20 ~ 0.55
-40~+65
15
19 ~ 42
1500
0.6 ~ 1.8
500 000
0.23 ~ 0.50
-40~+65
110 ~ 500
16.2
2.4 ~ 5.4
3500 ~ 4800
4 ~ 18
1000 000
2.7 ~ 5.8
-40~+65
110 ~ 165
48.6
7.1~ 12.3
3900 ~ 4800
27 ~ 54
1000 000
11.0 ~ 14.2
-40~+65
94
75
15
150
55
1000 000
24.5
-40~+65
63
125
17
750
102
1000 000
58
-40~+65
Wh
Obr. 2.4: Superkapacitor BMOD 016
5
Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
2.4 OZNAČOVANIE SUPERKAPACITOROV
Znázornené označovanie superkapacitorov nie je medzinárodné. Každý výrobca má
zaužívané svoje označovanie. Konkrétne toto označenie používa firma Maxwell.
2.5 NABÍJANIE A VYBÍJANIE SUPERKAPACITORA
Superkapacitory sa môžu nabíjať prúdom, ktorého veľkosť nie je presne stanovená,
na ktorej prakticky nezáleží. Z toho dôvodu nie je potrebná žiadna prúdová ochrana. Na
obr. 2.5 je znázornené nabíjanie superkapacitora s hodnotou 680F pri rôznych nabíjacích
prúdoch. Hlavným parametrom, ktorý musíme sledovať pri nabíjaní je napätie, ktoré
nesmie prekročiť prípustnú hodnotu stanovenú výrobcom.
V podstate nabíjačky pre
batérie sa veľmi nelíšia od nabíjačiek pre superkapacitory, no je potrebné zvážiť niektoré
záležitosti. Nie je vhodné použiť lineárne výkonové zdroje, pretože sú neefektívne a ich
účinnosť je nízka. Energetické straty sú veľmi veľké, pretože napäťové rozdiely medzi
zdrojom energie a ultrakapacitorom sú veľké. To sa dá redukovať vytvorením spínacieho
6
Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
DC – DC konvertora s pulznou moduláciou PWM. Batérie sa zvyčajne nabíjajú niekoľko
hodín a potom sa buď vypne nabíjačka, alebo sa batérie odpoja od zdroja energie.
Ultrakapacitory sa nabíjajú opakovane vo veľmi krátkych časových intervaloch. Môžu byť
úplne vybité za niekoľko minút, alebo pár sekúnd a znova nabité na plnú kapacitu za veľmi
krátky čas. Nabíjačka superkapacitora by mala dodávať maximálny nabíjací prúd
v krátkych periódach, ktorý je zmenšený na nulu až do nasledujúceho nabíjacieho cyklu.
Príkladom takej nabíjačky môže byt PWM konvertor. Ďalším hlavným rozdielom medzi
nabíjačkou superkapacitora a akumulátora je to, že výstupné napätie na superkapacitore
rastie lineárne so sklonom úmerným nabíjaciemu prúdu až na menovitú hodnotu zatiaľ čo
sa u batérií pohybuje v úzkom rozsahu (CHAN, M. S. W. 2005).
Obr. 2.5: Charakteristika nabíjania pri prúdoch 1.5A, 2.5A a 3A
2.6 SPÁJANIE SUPERKAPACITOROV
V praxi sa môžu superkapacitory spájať buď do série, alebo paralelne z dôvodu
zvýšenia kapacity, alebo ich napájacieho napätia. Takto zapojené superkapacitory tvoria
kondenzátorové batérie. Robí sa to z dôvodu veľmi nízkeho dovoleného napätia
superkapacitora, ktoré sa pohybuje v rozmedzí 2,2 až 2,7V. Každý superkapacitor má od
7
Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
výroby určitú toleranciu a preto majú aj rôzne parametre (C, sériový odpor, samovybíjací
prúd). To vytvára pri ich sériovom spojení jeden problém a to problém nerovnomerného
rozloženia napätia na jednotlivých prvkoch. Najčastejšie sa tento problém rieši použitím
vyrovnávacích aktívnych, alebo pasívnych obvodov. Pasívne riešenie spočíva v trvalom
pripojení odporu a to paralelne k svorkám superkapacitora. Veľkosť odporu sa volí v
závislosti od toho, za aký čas požadujeme vyrovnať napätie a od zvodového prúdu
kapacitora. Najčastejšie sa tento spôsob používa v obvodoch, v ktorých sa nepožaduje
vysoká dynamika výmeny elektrickej energie. Toto riešenie nie je veľmi výhodné, pretože
sú zvýšené straty a tým pádom znížená účinnosť. Aktívne vyrovnávacie obvody sú
výhodnejšie. V prípade nerovnosti napätí medzi dvoma susednými prvkami, začne
vyrovnávací obvod podľa aktuálnej situácie vyrovnávať úroveň napätia medzi prvkami.
Ide o komparátor s presnou referenciou, ktorý v prípade potreby pripne vybíjací odpor na
svorky ultrakapacitora. Tento spôsob je vhodné použiť v dynamických aplikáciách, kde
dochádza k rýchlemu striedaniu nabíjacích a vybíjacích cyklov (MAŠEK, Z.,2008).
2.7 AKO SPRÁVNE POUŽÍVAŤ ULTRAKAPACITORY
Superkapacitory sú bezpečné, ak sa s nimi správne pracuje a dodržiavajú sa isté
pravidlá. Medzi tie najzákladnejšie patrí meranie teploty. Túto veličinu musíme neustále
sledovať, aby nedošlo k prehriatiu elektrolytu ktorého bod varu je 83°C a tým k zničeniu
súčiastky. Je dokázané, že pri nabíjaní a vybíjaní s periódou cca 10 s sa teplota
sperkapacitora zvýši približne o 15°C. Preto sa doporučuje ku každému superkapacitoru
osadiť jeden termistor (PTC), alebo iný snímač teploty. Pre montáž je vhodný okraj púzdra
blízko vývodov superkapacitora. Ak je superkapacitorov viac, môžu byť jednotlivé
snímače zapojené do série. Prekročenie nastavenej teploty je potom indikované iba jedným
signálom. Merací systém by mal byť nastavený na medznú teplotu 60°C. Pri jej dosiahnutí
by mali byť superkapacitory odpojené, aby nedošlo k ich poškodeniu, alebo úplnému
zničeniu. Ak sú superkapacitory zapojené do bloku, mal by byť samostatný snímač pre
meranie teploty vo vnútri bloku. To umožní sledovanie a nastavenie optimálnej hodnoty
prúdu, periódy cyklu a chladenie (MAXWELL Technologies, 2009).
Ďalším dôležitým parametrom, od ktorého závisí správna činnosť superkapacitora,
je čo najmenší elektrický odpor všetkých vodivých spojení a mechanickú pevnosť spojov,
8
Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
ktoré odolávajú mechanickým otrasom a tepelnej rozťažnosti. Pri veľkých prúdoch sa
spoje ohrievajú. Povrch spojovacích dielov by mal byť čistý, skrutkové spoje by mali byť
dotiahnuté s predpísaným momentom a mali by mať takú veľkú kontaktnú plochu, aká je
možná. Častým problémom je oxidácia. Oxidáciou sa zvyšuje elektrický odpor spojov,
preto je vhodné ho očistiť a naniesť elektricky vodivú impregnačnú vrstvu. Pri spojení
materiálov s rôznou tepelnou rozťažnosťou môže dochádzať k uvoľňovaniu spojov,
k zvyšovaniu hodnoty elektrického odporu, k väčšiemu ohrievaniu a tým k zhoršovaniu
parametrov superkapacitorov a znižovaniu životnosti. Preto je vhodné mechanické riešenie
elektrických spojov pomocou pružných podložiek. Plocha prepojovacích vodičov by mala
byť navrhnutá na najvyššie očakávané prúdy a spoje aby boli dimenzované pre prípadný
skrat. Mali by sme dbať aj na dôkladnú elektrickú izoláciu jednotlivých superkapacitorov
a to pri montáži do blokov. Musí byť navrhnutá aj prídavná izolácia medzi jednotlivými
superkapacitormi, alebo medzi bokom a montážnou konštrukciou. Materiál a hrúbka
izolačného materiálu musí byť navrhnutá s ohľadom na pracovné napätie bloku
superkapacitora. Spájaním rôznych materiálov, dochádza ku galvanickej korózii vplyvom
rôznych elektrochemických potenciálov oboch materiálov. Pri spájaní superkapacitorov, by
sme mali voliť materiál s čo najmenšou galvanickou aktivitou voči hliníku, aby nevznikalo
elektrochemické napätie. Mechanické spoje a celá konštrukcia bloku musí odolávať
namáhaniu (nárazom a chveniu), aby sa zabránilo poškodeniu izolácie, alebo iných častí
bloku. V mnohých aplikáciách sú superkpacitory vystavené zvýšeným teplotám. Z toho
dôvodu by mali byť elektrické spoje navrhnuté tak, aby účinne odvádzali teplo zo
superkapacitorov. Poprípade môžu byť použité prídavné chladiče, alebo chladenie
prúdiacim vzduchom a pod. (MAXWELL Technologies, 2009).
2.8 POUŽITIE SUPERKAPACITOROV
Použitie týchto elektronických prvkov je rôzne. V dnešnej dobe majú najväčšie
využitie hlavne v automobilovej technike, vo vozidlách s hybridným pohonom,
v mobilných telefónoch (ako zdroj energie pre výbojky fotoaparátov). Použitie
superkapacitorov je výhodné hlavne v aplikáciách, kde je nutné dodávať jednorazové
špičkové prúdy. V mobilných zariadeniach na akumulátorový pohon, sa tieto prvky
využívajú na predlžovanie životnosti akumulátorov a to takým spôsobom, že znižujú
špičkový odber. V elektrických vozidlách s hybridným pohonom (hlavnou pohonnou
9
Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
jednotkou je spaľovací motor) sa v superkapacitorch ukladá energia pre maximálnu záťaž
(rozjazd), pričom sa znížia nároky na výkon motora a točivý moment, čo vedie i k zníženiu
emisií. Energia získavaná zo superkapacitora je limitovaná výkonovým faktorom DC-DC
meniča a jeho impedanciou. Superkapacitory sú v dnešnej dobe veľmi priaznivé a sľubné
technológie. Nie sú schopné uskladňovať takú energiu, ktorá by bola porovnateľná
s palivovou nádržou alebo elektrickými batériami, avšak pri tom všetkom sú schopné
prijímať energiu počas brzdenia automobilu a regenerovať ju pri zrýchľovaní.
(MAXWELL Technologies, 2009).
Popísané výhody sú využiteľné v servopohonoch s nízkym výkonom, ktoré sú
napájané z akumulátorov. Tie sa v dnešnej dobe čoraz viac vyskytujú v moderných
automobiloch
(otváranie
okien,
natáčanie
zrkadiel,
vysúvanie
antén,
sklápanie
svetlometov).
2.9 EFEKTIVITA SUPERKAPACITOROV A ICH ŽIVOTNOSŤ
Efektivita superkapacitora závisí veľkou mierou na účinnosti prenosu výkonu
medzi bodom odberu a superkapacitorom. Jedná sa predovšetkým o účinnosť meniča, ku
ktorému je daný superkapacitor pripojený. Efektivita využitia závisí taktiež od odporových
strát v prenose elektrickej energie. Samotný superkapacitor dosahuje účinnosť až 98%.
Životnosť akumulátorov je v porovnaní so superkapacitormi rádovo nižšia. Výrobcovia
ultrakapacitorov uvádzajú až milión nabíjacích a vybíjacích cyklov, pričom aj po
dosiahnutí tohto limitu sa môže naďalej používať, je naďalej schopný funkcie. Samozrejme
má už zhoršené vlastnosti, ako napr. zvýšený vnútorný sériový odpor, nižšia kapacita. To
je spôsobené práve cyklickým nabíjaním a vybíjaním. Úplný koniec životnosti pre
superkapacitor nastane ak jeho menovitá kapacita poklesne o 20%, alebo keď sa jeho
vnútorný sériový odpor ESR zvýši o 100%. Existujú aj ďalšie faktory, ktoré ovplyvňujú
vlastnosti superkapacitora. Patrí tam teplota a prevádzkové napätie. Pri prevádzkovej
teplote 25°C sa udáva životnosť až 10 rokov a následne každým zvýšením teploty o 10°C,
sa životnosť zníži na polovicu. Napríklad v aplikáciách pri prevádzkovej teplote 55°C je
životnosť 1 rok obr. 2.6. K zníženiu životnosti dôjde, ak superkapacitor pracuje s vyšším
napätím ako je menovité. V takomto prípade dochádza aj k rapídnemu poklesu kapacity
(MAŠEK, Z., 2008).
10
Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
Obr. 2.6: Životnosť superkapacitora v závislosti od prevádzkového napätia teploty
Pri návrhu systému so superkapacitormi je veľmi dôležité nezanedbávať tieto
faktory, pretože pri zanedbaní by to mohlo značne ovplyvňovať výslednú kapacitu a tiež
životnosť a spoľahlivosť. Výhodou superkapacitorov je to, že aktuálna kapacita nie je
závislá na teplote. Tento problém sa vyskytoval predovšetkým u akumulátorov, ktorým
výrazne klesla kapacita pri nízkych teplotách. No jedným z nedostatkov ktoré má
superkapacitor je to, že sa pri znižovaní teploty, zvyšuje jeho sériový odpor a to z dôvodu
zníženej schopnosti presúvania sa iónov v elektrolyte (MAŠEK, Z., 2008)
11
Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
3 PREHĽAD A VÝBER NAJVHODNEJŠEJ
TOPOLÓGIE MENIČA
3.1 NAPÁJACIE ZDROJE
Úlohou napájacích zdrojov je zabezpečiť potrebnú energiu pre činnosť elektrických
zariadení. Energia sa pre tieto zariadenia získava zväčša vo forme jednosmerného napätia
a to buď pretransformovaním zo striedavej siete, alebo z batérií. Podľa druhu vstupnej
a výstupnej veličiny, rozdeľujeme zdroje do štyroch základných skupín (KEMT, TUKE).
a) Sieťové (usmerňovacie) zdroje (vstup - striedavé napätie, výstup jednosmerné napätie)
b) Striedače (vstup - jednosmerné napätie, výstup – striedavé napätie)
c) Striedavé zdroje (vstup a výstup – striedavé napätie)
d) Jednosmerné zdroje (vstup a výstup – jednosmerné napätie)
Výstupné napätie zdrojov by malo byť nezávislé na zmene teploty, zaťažení
a kolísaní napätia siete. Táto podmienka sa dá docieliť vo väčšine prípadov len pomocou
elektronických regulátorov výstupného napätia. Sieťové zdroje zhotovené klasickou
obvodovou technikou majú veľký objem, straty a hmotnosť. Z toho dôvodu sa v dnešnej
dobe začínajú čoraz viac uplatňovať zdroje spínané, ktoré pracujú na vysokých
frekvenciách. To znižuje straty na polovodičových prvkoch a umožní dodať dostatočné
výkony z transformátorov, ktoré majú oproti klasickým zdrojom omnoho menšie rozmery.
Symetrické jednosmerné napätia oboch polarít, alebo vyššie hodnoty jednosmerného
napätia z jednosmerného zdroja, sa získavajú pomocou jednosmerných meničov. Tie tvoria
častú ponuku výrobcov elektronických prvkov (KEMT, TUKE).
3.1.1 Sieťové napájacie zdroje
Ich úlohou je zo sieťového napätia vyrobiť jednosmerné napätie a mali by byť
schopné dodávať napájací prúd, potrebný pre chod napájaného zariadenia. Tieto zdroje
môžu využívať konvenčné zapojenie, alebo princípy založené na spínacom režime
polovodičových súčiastok. Tento režim zabezpečí vyššiu účinnosť pri malých rozmeroch
12
Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
zdroja. Základnými blokmi zdroja sú sieťový transformátor, usmerňovač a vyhladzovací
filter(KEMT, TUKE).
Sieťový transformátor má za úlohu:
a) Pretransformovať sieťové napätie na požadovanú hodnotu
b) Galvanicky oddeliť napájacie napätie a celú elektroniku od zeme.
Pre odhad maximálneho prúdu pretekajúceho diódou a úbytku napätia na
sekundárnom vinutí potrebujeme poznať vnútornú impedanciu transformátora, ktorú
prepočítame na sekundárne vinutie podľa vzťahu (3.1) (KEMT, TUKE).
ZT=Zsek+Zprim/p2
(3.1)
p = N1/N2
(3.2)
Pričom platí:
Jadro transformátora sa pre stredné výkony dimenzuje na základe približného
vzťahu. Počet závitov primárneho vinutia N1 by mal byť dostatočne veľký, aby magnetická
indukcia v jadre nedosiahla hodnotu Bs, čím by došlo k magnetickému nasýteniu jadra.
Následkom toho by poklesla impedancia primárneho vinutia a vzrástla by jalová zložka
vstupného prúdu. Priemer použitých vodičov primárneho a sekundárneho vinutia, je určený
strednou hodnotou prúdov vinutí a maximálnou prúdovou hustotou. Pri dvojcestnom
usmerňovači a sekundári s vyvedeným stredom, nadobúda stredná hodnota prúdu vinutím
polovičnú hodnotu s hodnotou odoberaného jednosmerného prúdu zdroja. Usmerňovač je
tvorený diódami. Ich prúdové zaťaženie musí vyhovovať strednej hodnote prúdu
odoberaného zo zdroja. Jednoduchou náhradou diódy, je náhrada diódy jej ideálnym
modelom. Ten je tvorený sériovým spojením ideálnej diódy s napäťovým zdrojom a
s hodnotou rovnou úbytku na dióde v priepustnom smere Ud = 0.6V. Podľa zapojenia
poznáme usmerňovače v jednocestnom zapojení obr. 3.1, v dvojcestnom zapojení obr. 3.2
a v mostíkovom zapojení obr 3.3. Výstupné napätie dvojcestného usmerňovača, je na
rozdiel od jednocestného usmerňovača tvorené obidvoma pol vlnami výstupného
harmonického priebehu. Dvojcestným zapojením s vyvedeným stredom možno dosiahnuť
symetrické usmernené napätia (KEMT, TUKE).
13
Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
Obr. 3.1 Jednocestný usmerňovač
Obr. 3.2 Dvojcestný usmerňovač
Obr. 3.3 Mostíkový usmerňovač
Pre vyhladzovací filter sa najčastejšie používajú filtračné kondenzátory. Ich úlohou
je vyhladiť pulzujúce výstupné napätie usmerňovača. Pri otvorenej dióde sa nabíja
kondenzátor a zhromažďuje energiu, ktorú pri zatvorenej dióde dodáva do záťaže. Takto sa
dosiahne, že záťažou tečie spojitý prúd. Zvlnenie výstupného napätia sa zníži na hodnotu
určenú vybitím kondenzátora do záťaže. Nabíjacia konštanta je daná odporom
usmerňovacej diódy a sekundárneho vinutia. Dôsledkom toho je nabíjanie kondenzátora
dané krátkymi prúdovými impulzmi. Pri malej impedancii transformátora, je nutné chrániť
usmerňovacie diódy pred prúdovými špičkami. To sa robí pomocou obmedzovacích
odporov (KEMT, TUKE).
14
Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
3.2 SPÍNANÉ ZDROJE
Spínané zdroje sú v dnešnej dobe veľmi rozšírené a čoraz viac sa začínajú používať
v rôznych aplikáciách. Umožňujú vytvárať rôznorodé prístroje, ktoré majú malú hmotnosť,
objem a veľkú účinnosť. Nevýhodou je, že návrh spínaných zdrojov je omnoho
komplikovanejší, ako návrh lineárnych zdrojov. Taktiež sa komplikuje celý návrh aj
výberom súčiastok, pretože by mali byť vhodné pre vysoké frekvencie a veľké výkony
v závislosti od použitia (KREJČIŘÍK, A. 1998).
3.2.1 Porovnanie spínaných zdrojov a lineárnych regulátorov
Najväčšou výhodou spínaných zdrojov je práve ich vysoká účinnosť a to aj pri
zníženom výkone, dodávaného z batérie. Ďalej je to váha a malé rozmery. Aj napriek
komplikovanému návrhu týchto zdrojov, sa v dnešnej dobe začínajú čoraz viac uplatňovať.
Ďalšou výhodou týchto zdrojov je, že aj keď pracujú pri vysokých frekvenciách, je ľahká
filtrovateľnosť zvyšnej striedavej zložky (KREJČIŘÍK, A. 1998)
Nevýhodou spínaných zdrojov z hľadiska ich vysokej frekvencie je vysoká cena
súčiastok, ktoré musia pri týchto frekvenciách spoľahlivo pracovať.
Pri porovnaní spínaných stabilizátorov s lineárnymi je zrejmé, že lineárne sa len
ťažko vyrovnajú spínaným z hľadiska účinnosti. Aj ten najhorší spínaný zdroj dosiahne
účinnosť od 60% do 65%. Pri lineárnom zdroji sa s účinnosťou nedostaneme cez 50%,
pretože sa ich účinnosť pohybuje okolo 30%. Spínané zdroje majú lepšiu účinnosť a to pri
nižších frekvenciách ako napr. 20kHz. Dnešné súčiastky umožňujú skonštruovať spínaný
zdroj, ktorého pracovná frekvencia sa pohybuje od 100kHz do 1MHz a účinnosťou
osemkrát lepšou ako u lineárnych zapojení (KREJČIŘÍK, A. 1998).
Spínaný zdroj sa skladá z niekoľkých základných častí, ktoré sú zobrazené na obr.
3.4. Samozrejme nie vždy obsahuje všetky časti a to v závislosti od druhu aplikácie,
použitia, druhu vstupného napätia a pod. Nie vždy sa používa vstupný filter a niekedy sa
môže použiť aj vstupný usmerňovač. Podmienkou správnej činnosti spínaného zdroja je,
aby bolo vstupné jednosmerné napätie čo najviac zbavené striedavej zložky, ktorá vďaka
svojej nízkej hodnote frekvencie 50Hz, prechádza celým filtrom až na jeho výstup. Dá sa
15
Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
to ošetriť dvoma spôsobmi. Prvý je ten, že sa daný spínací zdroj napája z jednosmerného
zdroja, ktorý má veľmi malý vnútorný odpor. K takýmto zdrojom energie patrí napríklad
batéria. Takto sa znížia nároky na vstupný filter. Druhá možnosť je tá, že sa vstupné
napätie usmerní usmerňovačom a následne sa jeho zvyškové zvlnenie dôkladne vyhladí
vstupným filtrom. Dôležité je aby bol tento filter, či už RC alebo LC, dostatočne účinný
(KREJČIŘÍK, A. 1998).
AC/DC
FILTER
SPÍNAČ
TRAFO
PWM
COMP
OSC
REF
AC/DC
FILTER
Obr. 3.4 Bloková schéma spínaného zdroja
Aby sme mohli vstupné napätie transformovať, je nutné ho previesť na striedavý
tvar, čo sa v spínanom zdroji robí pomocou vysokofrekvenčných spínacích tranzistorov.
Tie pri frekvenciách od 20kHz do 1MHz vytvoria striedavý obdĺžnikový priebeh.
Transformácia prebieha buď na transformátore, alebo na indukčnosti. Výstupné napätie je
potrebné znova usmerniť a znova vyfiltrovať. Vzhľadom k vstupným obvodom, sú kladené
vysoké požiadavky na diódy, ktoré musia vykazovať usmerňovací efekt na danej
frekvencii. Mali by mať dobré vlastnosti, hlavne malú spínaciu a vypínaciu dobu a malú
kapacitu prechodu. Na výstupný filter nie sú kladené veľké požiadavky, pretože pracuje pri
vysokých frekvenciách a práve tu sú jeho filtračné účinky veľmi dobré. Každý spínaný
zdroj je opatrený spätnou väzbou, ktorá sníma veľkosť výstupného napätia, alebo
výstupného prúdu a následne riadi spínanie tranzistorov pomocou vnútornej logiky
regulátora (KREJČIŘÍK, A. 1998).
16
Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
3.2.2 Základné zapojenie spínaných zdrojov
Spínané zdroje je možné vo všeobecnosti rozdeliť podľa ich zapojenia a funkcie
do niekoľkých skupín. Jednotlivé zapojenia sa obvykle rozlišujú podľa spôsobu prenosu
energie z primárnych obvodov do obvodov sekundárnych a to na:
a)
Priepustné zapojenie (Forward), ktoré je charakterizované priamym
prenosom energie cez transformátor. To znamená, že ak tečie prúd primárnym vinutím
v okamihu zopnutia spínača, súčasne tečie prúd aj sekundárnym vinutím. Je to určené
orientáciou vinutí primárneho a sekundárneho vinutia a polaritou výstupnej diódy obr. 3.5
(zopnutý tranzistor)( KREJČIŘÍK, A. 1998).
Obr. 3.5 Priepustné zapojenie
Bodka u jednotlivých vinutí označuje začiatok vinutia. Ak sú obe vinutia
orientované súhlasne, tak kladnej polarite vstupného napätia bude odpovedať kladné
napätie na výstupe. Ak sú vinutia orientované nesúhlasne, kladnému vstupnému napätiu
bude odpovedať záporná polarita na výstupe (KREJČIŘÍK, A. 1998).
Popis činnosti je daný v dvoch časových intervaloch t1 a t2.
Behom doby t1 platí:
UIN .t1 / L1 = dIc
(3.3)
Behom doby t2 platí:
-(UOUT) . t2 / (p . L1) = dIC
(3.4)
Porovnaním rovnice (3.3) a (3.4) dostaneme:UOUT = UIN . p . δ / (1-δ)
Pomer transformátora:
p = N2 / N1 = U2 / U1
(3.5)
(3.6)
17
Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
b)
Akumulujúce
zapojenie
(Flyback)
je
charakteristické
nepriamym
prenosom energie cez transformátor. Ak tečie prúd primárnym vinutím, sekundárne vinutie
je polarizované tak, že ním prúd netečie. Celá energia, ktorá je uložená v magnetickom
poli transformátora, začne pretekať sekundárnym vinutím až po rozopnutí primárneho
vinutia. Sekundárne vinutie transformátora je vinuté opačne, ako primárne vinutie. Na obr.
3.6 je polarita vstupného napätia U1 vyznačená pre zopnutý stav a polarita výstupného
napätia U2 pre rozopnutý tranzistor. Akumulačné vinutie je možné doplniť rekuperačným
vinutím a diódou (Obr. 3.7), no nie je to nutné. Zväčša sa to využíva v prípade, ak
potrebujeme zvýšiť účinnosť zariadenia a to využitím tej časti energie, ktorá bola po
rozopnutí tranzistora akumulovaná v magnetickom poli transformátora a nebola prenesená
na výstup. Princíp akumulujúceho zapojenia je ten, že ak je na primárnom vinutí zopnutý
tranzistor T, nemôže súčasne tiecť elektrický prúd aj sekundárnym vinutím. V tomto
prípade je dióda polarizovaná záverne a až po rozopnutí tranzistora T sa naindukuje
energia opačnej polarity. Dióda bude priepustná a vinutím preteká el. prúd (KREJČIŘÍK,
A. 1998).
Obr. 3.6 Akumulujúce zapojenie
Obr. 3.7 Rekuperačné vinutie
18
Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
c)
Dvojčinné zapojenie (PUSH - PULL) pracuje tak, že do primárneho
vinutia je spínaný prúd oboch polarít pomocou prvkov, ktoré sú zapojené inverzne.
Zvyčajne sú aj výstupné usmerňovače dvojcestné. Z toho je jasné, že ide o dvojčinnú
verziu priepustného zapojenia. Toto zapojenie sa v dnešnej dobe využíva dosť často, avšak
je upravený spôsob budenia primárnej časti pomocou dvoch spínačov (KREJČIŘÍK, A.
1998).
Existuje veľa rôznych druhov zdrojov a pri výbere si treba uvedomiť účel, na aký
by mal slúžiť. Pri konštrukcii meniča pre superkapacitory, som sa sústredil na tieto
požiadavky.
3.3 POŽIADAVKY NA MENIČ
Nabíjačka superkapacitora by mala spĺňať isté parametre, vďaka ktorým bude
zaručená jej správna funkčnosť a akumulačný prvok nebude výkonovo namáhaný.
Zariadenie ktoré budem navrhovať, bude napájané jednosmerným vstupným napätím
s maximálnou hodnotou 40V. Výstupné napätie je regulované a udržiavané na konštantnej
hodnote 5V. Keďže sa týmto meničom bude nabíjať superkapacitor, ktorý má najvyššie
dovolené napätie 5,5V, je dôležité aby bol tento parameter dodržaný. Je potrebné aby
menič nabíjal superkapacitor v čo najkratšom čase, z čoho vyplýva, že musí dodať do
superkapacitora čo najväčší špičkový prúd. Čas nabíjania závisí aj od vnútorného
sériového odporu superkapacitora. Preto čím bude mať superkapacitor vyšší
ESR
(vnútorný sériový odpor), tým viac bude obmedzovaný prúd, ktorým bude tento
superkapacitor nabíjaný a tým bude aj dlhší čas nabíjania. Keďže sa superkapacitory môžu
nabíjať veľkými prúdmi, v návrhu som neriešil problematiku prúdovej ochrany, ktorá by
kontrolovala zaťažovací prúd. Nabíjačka pre superkapacitory by mala mať dostatočný
výkon, mala by mať vysokú účinnosť a nízke straty (či už tepelné alebo spínacie) aby sa čo
najviac výkonu prenieslo do záťaže.
19
Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
3.4 PREHĽAD TOPOLÓGIÍ MENIČA
Je veľmi veľké množstvo rôznych topológii meničov (s transformátorom, bez
transformátora, zvyšovacie, znižovacie, priepustné, akumulačné, invertujúce a pod.), medzi
ktorými som sa mohol rozhodnúť pri návrhu meniča. Rozhodoval som sa medzi viacerými
topológiami ako sú napríklad BUCK obr. 3.8, BUCK BOOST obr. 3.9, FORWARD obr.
3.10 a FLYBACK obr. 3.11.
Obr. 3.8 Topológia BUCK
Obr. 3.9 Topológia BUCK-BOOST
Obr. 3.10 Topológia FORWARD
20
Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
Obr. 3.11 Topológia FLYBACK
3.5 VÝBER A NÁVRH KOMPONENTOV MENIČA
Po zvážení výhod a nevýhod jednotlivých meničov, som sa rozhodol pre topológiu
FLYBACK, ktorá je znázornená na obr. 3.11. Tento typ som zvolil, pretože je z hľadiska
výroby nenáročný, obsahuje malý počet komponentov čo mu uberá na cene. Výkonová
časť je izolovaná od riadiacej a má pomerne dobrú účinnosť, ktorá sa pohybuje okolo 75%.
Dôvod použitia izolovaného meniča spočíva v dosiahnutí požadovanej bezpečnosti
(izolácia primárnej a sekundárnej časti). Taktiež bolo nutné zabezpečiť ochranu
superkapacitora pred vysokou hodnotou výstupného napätia (pri poruche meniča napr.
zničený spínací prvok). Pre galvanické oddelenie riadiacej časti som použil optočlen typu
PC817. Spätná väzba slúži na reguláciu výstupného napätia, aby nedošlo k neprekročeniu
maximálnej prípustnej hodnoty napätia superkapacitora 5,5V. Napäťová referencia TL431,
ktorú som použil v obvode spätnej väzby (SV), reguluje výstupné napätie a na základe
odchýlky medzi vnútorným referenčným napätím a hodnotou výstupného napätia, mení
svoju impedanciu. Takto mení hodnotu prúdu fotodiódou optočlena. Fotodióda (optočlen)
mení v konečnom dôsledku hodnotu referenčného napätia prúdového komparátora obvodu
UC3844. Takýmto spôsobom prostredníctvom prúdovej PWM reguluje výstupné napätie.
V prípade zvýšenia hodnoty výstupného napätia riadiaci obvod zníži šírku PWM signálu
pre budenie spínacieho prvku a na výstupe dôjde k poklesu napätia.
21
Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
Ako spínací prvok v tomto obvode je tranzistor MOSFET 20N60C. Zvolil som ho
na základe vypočítanej hodnoty maximálneho napätia a prúdu, ktorý ním bude tiecť
v zopnutom stave. Tento prvok by mal mať čím menší RDS(on) (sériový odpor) v zopnutom
stave. Konkrétne použitý typ má RDS(on) rovný 0,192Ω. Dôležitá je vysoká vstupná
impedancia a vysoká rýchlosť spínania, čo sú vlastnosti použitého MOSFET-u. Riadiacim
obvodom v zapojení je integrovaný obvod UC3844A. Bližšie sú tieto prvky popísané
v kapitole 5.
22
Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
4 OVERENIE NÁVRHU SIMULÁCIOU
Pred fyzickým skonštruovaním meniča, som vykonal skúšku činnosti pomocou
simulačného experimentu. Je to vlastne nahradenie reálneho systému, za numerický model.
Na simulačnom modeli som urobil rôzne experimenty, overovania, dimenzovania
a optimalizácie. Takto odsimulované výsledky, som aplikoval na reálny systém. Na
základe simulácie som overil filtračné komponenty a stanovil som hodnoty odľahčovacích
RC článkov.
Prvým krokom pre vytvorenie simulačného modelu bolo zostavenie schémy
v prostredí PSpice. V schéme som použil prvky, ktorých hodnoty boli vopred vypočítané
na základe preštudovanej literatúry. Schéma zapojenia simulačného modelu je znázornená
na obr. 4.1. Pre overenie činnosti bol zostavený iba simulačný model hlavného obvodu.
Namiesto riadiaceho obvodu UC3844, ktorý generuje signál pre MOSFET som použil
generátor pílového signálu.
Obr. 4.1 Schéma zapojenia simulácie
23
Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
Transformátor som zostavil z indukčností L1 a L2 (magnetizačné indukčnosti) a L4
a L5 (rozptylové indukčnosti). Indukčnosti L1 a L2 majú spoločnú lineárnu magnetickú
väzbu. Indukčnosť vinutí v simulácii sa zhoduje s indukčnosťami reálneho transformátora.
Rozptylové indukčnosti v simulácii sú zadané na základe hodnôt, ktoré som nameral na
skonštruovanom transformátore.
Po vykonaní simulácie a odčítaní z grafu som zistil, že výstupné napätie na záťaži
nadobúda hodnotu 9V, ako je to znázornené na obr. 4.2. Bolo to spôsobené tým, že v
simulácii nebol menič zaťažený a preto sa výstupné kondenzátory nabili na vyššie napätie
ako 5V. Taktiež to mohlo byť spôsobené tým, že som zhotovený transformátor navrhol na
vyššie napätie, ktoré bude regulované napäťovým regulátorom na požadovanú hodnotu 5V.
V simulácii nemám zavedenú spätnú väzbu z čoho vyplýva, že výstupné napätie nie je
regulované prostredníctvom PWM regulátora.
Obr. 4.2 Priebeh napätia na výstupe meniča
Ako môžeme odčítať z časového priebehu, na záťaži vystúpilo napätie na hodnotu
9V vo veľmi krátkom čase (asi 15ms), čo je v skutočnosti nedosiahnuteľný parameter. Ak
by sme chceli dosiahnuť také rýchle nabitie superkapacitora, museli by sme skonštruovať
zariadenie s čo najnižšími stratami a vysokou účinnosťou. Superkapacitor by musel by mať
zanedbateľný vnútorný ESR. Keďže som používal superkapacitor s ESR rovným
20Ω takéto rýchle nabitie nebolo možné.
24
Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
Na obr. 4.3 je znázornený priebeh napätia na tranzistore MOSFET (drain-source).
Napäťové špičky dosahujú vysoké hodnoty, sú spôsobené spínaním tranzistora. Takáto
vysoká úroveň napätia vznikne pri vypnutí tranzistora vplyvom vygenerovania napäťovej
špičky rozptylovou indukčnosťou. Čas t (viď. Obr. 4.3), znázorňuje dobu zopnutia
spínacieho prvku.
t
Obr. 4.3 Priebeh napätia na drain – source
Obr. 4.4 Priebeh napätia na výstupnej dióde pri spínaní tranzistora
Čas zopnutia tranzistora je daný signálom PWM regulátora, ktorý sa mení na
základe výstupnej vzorky napätia, ktorá sa privádza do komparátora. Keďže som
v simulácii nepoužil integrovaný obvod UC3844, ale len generátor obdĺžnikového signálu,
doba zopnutia je stále rovnaká.
25
Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
5 NÁVRH MENIČA, BUDIACICH A OCHRANNÝCH
OBVODOV, NÁVRH CHLADENIA, REALIZÁCIA
Zadané parametre meniča:
-
napájacie napätie 40VDC
-
výstupné napätie 5VDC
-
zaťažovací prúd 0A – 10A
-
spínacia frekvencia 50kHz
-
výstupný výkon 50W
5.1 VÝBER A NÁVRH TRANSFORMÁTORA
Pre zvolený typ meniča som použil transformátor s feritovým jadrom typu ETD29
s materiálom jadra 3F3, ktorý je vhodný pre frekvencie do 700kHz. Efektívny prierez jadra
je 76mm2. Magnetickú indukciu volím 0,1T z dôvodu malých magnetizačných strát.
Menič typu flyback môže pracovať v dvoch režimoch a to kontinuálny
a diskontinuálny. To v akom režime bude, závisí od návrhu transformátora.
-
Kontinuálny mód - prúd nie je prerušovaný, neklesá na nulu obr. 5.1
-
Diskontinuálny mód - prúd vystúpi na určitú úroveň a znova klesne až na nulu
obr. 5.2
Kontinuálny mód je výhodný, pretože prúdy sú malé a preto aj straty vo vinutiach
sú malé. V diskontinuálnom móde sa to nedá povedať, pretože tam sú straty dominujúcim
nepriaznivým parametrom. Výhodou diskontinuálneho módu je to, že pri návrhu
transformátora nie je potrebný veľký počet závitov (TEXAS INSTRUMENTS, Inc., 2001)
26
Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
Obr. 5.1 Kontinuálny mód
Obr. 5.2 Diskontinuálny mód
Tlmivky pre flyback sú často navrhované pre činnosť v kontinuálnom móde. No
často sa používa aj diskontinuálny mód, pretože požadovaná indukčnosť je menšia
a fyzická veľkosť cievky je tiež menšia. Ale v diskontinuálnom móde je prúd prerušovaný
na nulu v každej perióde spínania. Toto spínanie zapríčiňuje veľké straty vo vinutí a tiež
straty v jadre. Keď je transformátor pre flyback navrhnutý pre kontinuálny mód, prúd sa
udržiava v jednej úrovni, neklesá na nulu. Avšak prúdy v ostatných vinutiach flyback
transformátora sú vždy diskontinuálne, nedbajúc na prúdový režim. Prúd vo vinutí rastie
z nuly na maximálnu hodnotu aj napriek tomu, že je daný transformátor navrhnutý
v kontinuálnom režime z malým zvlnením (obr. 5.3). To má za následok zvýšenie strát
nehľadiac na operačný režim (TEXAS INSTRUMENTS, Inc., 2001).
27
Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
Obr. 5.3 Priebehy prúdov na transformátore (kontinuálny režim)
Keďže je kontinuálny režim výhodnejší z hľadiska menších strát vo vinutiach
a jadre, urobil som výpočet transformátora pre tento režim.
Pri návrhu transformátora som použil tieto hodnoty:
VIN = 40V (vstupné napätie)
VOUT =5V (výstupné napätie)
IFL=10A (prúd pri plnom zaťažení)
f= 100kHz (spínacia frekvencia)
D = 0.5 (duty cycle)
∆Ipp = 5A
ISCPK = 25A
Zvolené jadro typu 3F3 bude mať pri frekvencii 100kHz, magnetickej indukcii
B=0.1T a teplote 100°C straty v jadre menšie alebo rovné 0.65
Parametre transformátora ETD29:
Ae = 76mm2, Ve = 5470mm3, le = 72mm, Al= 2200nH
28
Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
Pri výpočte transformačného pomeru, musíme vedieť maximálnu hodnotu
parametra tzv. duty cycle Dmax. Je to pomer zopnutia tranzistora ton k celkovej perióde
spínania T, ktorý je daný vzťahom:
D= ton / T
(5.1)
Zvyčajne sa pri tomto type meniča volí duty cycle z pomeru závitov transformátora
a z napäťového namáhania spínacieho prvku. Pre tento návrh som zvolil duty cycle rovný
45%. Maximálny duty cycle nastane pri minimálnom vstupnom napätí.
Pomer závitov som určil z nominálnej hodnoty vstupného a výstupného napätia a D
dosadením do vzťahu:
n=
Vin D
40V
0,45
.
=
.
=6
Vo´ 1 − D 5V + 0.6V 1 − 0,45
(5.2)
Následne som vypočítal duty cycle pre spodnú hranicu napájacieho napätia
Dp =
Vo´.n
5,6V .6
=
= 0,456
Vin + Vo´.n 40V + 5,6V .6
Ds = 1 − Dp = 1 − 0,456 = 0,544
(5.3)
(5.4)
Výpočet maximálneho špičkového prúdu
I scdc = I scpk .
Ds
2
2
⇒ I scpk = I scdc .
= 7.
= 25,7 A
2
Ds
0.544
(5.5)
Z vypočítaných hodnôt som po dosadení do vzťahu (5.6) vypočítal indukčnosť
sekundárneho vinutia.
L = Vo´.
T .Ds
20.0,544
= 5,6V .
= 1,52µH
Vin
40
(5.6)
Počet závitov hlavného sekundárneho vinutia som vypočítal na základe predchádzajúcich
výpočtov a z efektívnej plochy transformátora Ae:
29
Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
N s1 =
L.I scpk
∆Bmax . Ae
.10 − 2 =
1,52.25
.10 −2 = 3 závity
0,18.0.76
(5.7)
Pre dosiahnutie vyššieho napätia na sekundárnom vinutí, som zvolil 5 závitov. Toto
napätie bude regulované napäťovým regulátorom.
Z rovnice (5.7) som vypočítal počet závitov primárneho vinutia
N p = n.N s = 6.3 = 18 závitov
(5.8)
Keďže som zmenil počet závitov na sekundárnom vinutí, bolo potrebné dodržať
transformačný pomer. Preto som zvolil počet závitov primárneho vinutia Np= 29.
N s2 =
Np
n
=
18
= 9 závitov
2
(5.9)
Straty v jadre som vyjadril podľa vzťahu:
Pc = 0,65.Ve = 0,65.5,47 = 4mW
(5.10)
Výpočet indukčnosti tlmivky:
Ltlm =
∆U .∆t (U 1 − U 2 ).T .(1 − Dmin ) (8V − 5V ).20µs.(1 − 0,35)
=
=
= 7,8µH
∆I
0,2.I max
5A
(5.11)
5.2 VÝBER REGULAČNÉHO OBVODU
Pri návrhu meniča bolo dôležité zvoliť obvod, ktorý by bolo možné implementovať
do zvolenej topológie. Vyberal som integrovaný obvod, ktorý by bolo možné napájať
napätím okolo 40V, ktorého spínacia frekvencia by sa pohybovala nad 100kHz. Taktiež
bolo dôležité, aby mal v sebe implementovanú napäťovú reguláciu.
Týmto požiadavkám vyhovoval integrovaný obvod typu UC3844A. Do tejto rady
spadajú obvody UC3842, UC2842, UC3843, UC3844, UC3845, UC2844, UC2845. Všetky
majú rovnaké vnútorné blokové zapojenie podľa obr. 5.1. Na obrázku sú znázornené
vývody pre púzdro DIP8, no niektoré sa vyrábajú aj v prevedení púzdra DIP14 (v takom
prípade bude rozmiestnenie vývodov iné, je potrebné pozrieť datasheet). Je to vysoko
výkonný obvod, ktorý pracuje s fixnou frekvenciou, ktorú je možné dostaviť vonkajšími
prvkami Rt a Ct Tieto obvody sú navrhnuté špeciálne pre off-line a DC-DC meniče. Obvod
30
Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
je veľmi praktický, efektívny, má malý počet vývodov a dokáže pracovať s minimálnym
počtom externých súčiastok. Má pomerne zložitú vnútornú štruktúru. Vo vnútri obvodu je
implementovaný interný oscilátor, tepelná kompenzácia, regulátor napätia, prúdový
komparátor a dvojčinný výstupný obvod pre riadenie výkonového mosfetu. K ďalším
implementáciám patria dva komparátory UVLO – undervoltage lockout (KREJČIŘÍK, A.
1997)
Obr. 5.1 Blokové zapojenie obvodov rady UC3844
Detailnejšia schéma zapojenia je znázornená na obr. 5.2. Sú v nej detailnejšie
rozkreslené vnútorné obvody, ochrany a pod.
Obr. 5.2 Podrobná bloková schéma obvodu UC3844
31
Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
Časovanie obvodu je zaistené vnútorným oscilátorom, ktorý môže pracovať až do
frekvencie 500kHz. Túto frekvenciu je možné nastaviť externými prvkami Rt a Ct. Tie sú
pripojené na svorky 4 a 8. Napätie na kondenzátore má približne trojuholníkový priebeh
s amplitúdou 1,6V. Z referenčného zdroja U ref = 5V je tento kondenzátor nabíjaný cez
rezistor Rt na napätie 2,8V a vybíjaný vnútorným zdrojom prúdu na napätie 1,2V.
Závislosť frekvencie oscilátora je nastavovaná prvkami Rt a Ct podľa obr. 5.3. Z toho
vyplýva, že požadovanú frekvenciu dostaneme vhodnou kombináciou týchto prvkov.
Musíme si uvedomiť, že hodnotou kapacity Ct sa nastavuje doba rozopnutia tranzistora
(death time) obr. 5.4. Preto som pri návrhu oscilátora zvolil najskôr požadovanú
frekvenciu, potom maximálnu dobu rozopnutia a nakoniec som na základe obr. 5.4 vybral
kondenzátor Ct. Nastavená hodnota frekvencie je veľmi stabilná a to pri zmenách
napájacieho napätia v rozsahu od 12V do 25V. K zmene môže dôjsť iba o 0,2%, čo je
ideálne. Zmenu napájacieho napätia nám kontroluje komparátor UVLO, ktorý kontroluje či
sa napätie pohybuje v intervale od 10V do 36V. Obvod má zavedenú hysterézu a jeho
činnosť začína pri napätí 16V a v prípade poklesu napájacieho napätia prestáva pracovať
pri poklese na 10V. Svorka 7 je ošetrená zenerovou diódou, ktorá chráni obvod pri
preťažení (KREJČIŘÍK, A. 1997)
Obr. 5.3 Voľba frekvencie oscilátora
32
Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
Obr. 5.4 Voľba Ct na základe doby rozopnutia tranzistora
5.3 VÝBER MOSFET TRANZISTORA
Spínací element vo flyback meničoch by mal mať také menovité napätie, aby
vydržať maximálne vstupné napätie.
Hodnotu menovitého napätia pre daný typ meniča som vypočítal zo vzťahu:

 Np
U DS = (U in + U l ) + 
 Ns



.(Uo + U d ).1,3 = [(40V + 12V ) + 6.(5 + 0,6 )].1,3 = 430V


(5.12)
Ul- rozkmit napätia spôsobený rozptylovou indukčnosťou transformátora, ktorá sa
zvyčajne pohybuje okolo 30% Vinmax
Spínacie straty som vyjadril vzťahom:
Pcon = Irms2.Rds(on)=15A . 0,28 = 4,2W
(5.13)
Spínacie straty vznikajú dôsledkom prúdových špičiek na vývode drain a napätím
drain -source pri spínaní a vypínaní.
33
Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
5.4 ODĽAHČOVACIA RC SIEŤ
Rozptylová indukčnosť transformátora spôsobuje generovanie napäťových špičiek.
Tie sa sčítajú s napätím zdroja a týmto spôsobom vytvárajú na spínacom prvku vysoké
úrovne napätia, na ktoré musia byť dimenzované. Preto je na primárnu stranu nutné zapojiť
polarizovanú pasívnu RC odľahčovaciu sieť (voltage clamp), ktorá potláča napäťové
špičky vzniknuté počas vypnutia spínacieho prvku (viď obr. 5.5). Toto zapojenie limituje
napäťové špičky na spínači, tým redukuje výkonové straty a spínací prvok nie je napäťovo
namáhaný. Táto energia je rozdelená medzi odľahčovaciu sieť a výkonový FET
(DINWOODIE, L. 2001).
Obr. 5.5 RC odľahčovacia sieť primárneho vinutia
Parazitná indukčnosť transformátora sa vybíja do kondenzátora počas každého
spínacieho cyklu. Hodnota kondenzátora je zvolená na základe množstva energie
rozptylovej indukčnosti a počiatočnej energie uloženej v kondenzátore. Podľa vzťahu 5.14
som určil minimálnu hodnotu kapacitora.
C=
LL .I peak
2
∆VC .(∆VC + 2V )
=
3µH .4,21A
= 7,5nF
40V .(42)
(5.14)
∆VC z rovnice 5.14 je zmena napätia na kondenzátore. Táto hodnota sa zvyčajne
pohybuje medzi 40 a 60V. LL je rozptylová indukčnosť transformátora. Ipeak je maximálna
špička prúdu v čase vypnutia tranzistora. Rezistor som zvolil na základe časovej konštanty
RC člena, ktorá by mala byť omnoho dlhšia, ako perióda spínania. Rezistor nesmie
34
Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
vyžarovať iba energiu rozptylovej indukčnosti, ale taktiež musí vyžiariť energiu uloženú
v kapacite tejto odľahčovacej siete. Ak by sa tak nestalo, kondenzátor by sa mohol nabiť
na nebezpečnú úroveň napätia (DINWOODIE, L. 2001).
Pri konštrukcii meniča som pripojil takúto odľahčovaciu sieť aj paralelne
k MOSFET tranzistoru (viď obr. 5.6) Týmto spôsobom sa napäťové špičky podstatne
znížili a znížilo sa aj prehrievanie spínacieho prvku. Tento pomocný snubber sa skladal
z RC člena (R=36k2 a C=330nF) a diódy BY228.
Obr. 5.6 Zapojenie pomocného odľahčovacieho obvodu
5.5 FYZIKÁLNY MODEL MENIČA
Po kompletnom návrhu komponentov meniča, som zostavil schému zapojenia,
podľa ktorej som zapojil všetky prvky na skúšobné prepojovacie pole. Takýmto spôsobom
som odskúšal funkčnosť daného zapojenia a eliminoval prípadné nedostatky. Toto
odskúšanie mi pomohlo pri voľbe vhodných prvkov v obvode, mohol som ich tepelne
dimenzovať a optimalizovať. Nevýhoda takéhoto testovania spočíva
v tom, že spoje
v prepojovacom poli majú veľké prechodové odpory. Toto spôsobilo, že sa nedal overiť
celý výkonový rozsah meniča a pretože kontakty majú dovolený prúd iba 1A, maximálny
testovaný výstupný výkon bol len 5W. Taktiež bolo potrebné dbať na vhodné zapojenie
zeme a body pripojenia napájacieho napätia. Dôvod spočíval v potrebnom správnom
vyhodnocovaní primárneho prúdu vinutia transformátora. Uvedené skúšobné zapojenie je
na obr. 5.7.
35
Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
Obr. 5.7 Skúšobné zapojenie meniča
Pri návrhu som sa zameral na to, aby doska plošného spoja (DPS) mala čo najviac
rozliatu zem (uvažované odrušenie) a aby boli spoje vedené dostatočnou šírkou (ohľad na
prúdové dimenzovanie). Taktiež som dbal na to, aby boli medzi jednotlivými spojmi
dostatočné izolačné vzdialenosti a prepoje medzi súčiastkami mali čo najkratšiu
vzdialenosť. Návrh dosky plošného spoja je na obr. 5.8.
Obr. 5.8 Návrh dosky plošného spoja (BOTTOM)
36
Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
Po vyrobení DPS som ju osadil podľa osadzovacieho výkresu (viď obr. 5.9).
Konečná verzia meniča je zobrazená na obr. 5.10.
Obr. 5.9 Osadzovací výkres meniča
Obr. 5.10 Fyzikálna vzorka znižovacieho meniča pre superkapacitory
37
Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
Pre posúdenie vlastností meniča som v tab. 5.1 uviedol namerané hodnoty napätí
a prúdov pri zaťažovaní a taktiež aj účinnosť odpovedajúcu danému zaťaženiu.
Tab. 5.1 Namerané hodnoty pri zaťažovaní meniča
n
U1(V)
I1(A)
P1(W)
U2(V)
I2(A)
P2(W)
η(%)
1
39,42
0,02
0,7884
5
0
0
0
2
39,37
0,04
1,5748
5
0,1
0,5
31,7501
3
39,36
0,069
2,71584
5
0,3
1,5
55,2315
4
39,35
0,1
3,935
5
0,5
2,5
63,5324
5
39,34
0,13
5,1142
5
0,7
3,5
68,4369
6
39,32
0,176
6,92032
5
1
5
72,251
7
39,27
0,27
10,6029
5
1,6
8
75,4511
8
39,24
0,327
12,8315
5
2
10
77,9333
9
39,13
0,452
17,6868
5
2,8
14
79,1553
10
39,11
0,484
18,9292
5
3
15
79,2425
11
39,06
0,65
25,389
5
4
20
78,7743
12
39,03
0,82
32,0046
5
5
25
78,1138
13
39,03
0,94
36,6882
5
5,6
28
76,3188
14
39,02
1
39,02
5
6
30
76,8836
15
38,98
1,2
46,776
5
7
35
74,8247
16
39,06
1,07
41,7942
3,61
8,2
29,602
70,828
17
39,07
0,99
38,6793
3,03
8,8
26,664
68,9361
18
39,08
0,93
36,3444
2,56
9,4
24,064
66,211
19
39,08
0,91
35,5628
2,41
9,6
23,136
65,0567
20
39,09
0,89
34,7901
2,23
9,8
21,854
62,8167
21
39,04
0,98
38,2592
2,36
10
23,6
61,6845
Z tab. 5.1 si môžeme všimnúť, že účinnosť meniča dosahuje maximálnu hodnotu
79% pri tretinovom zaťažení. Výstupné napätie sa udržiava na konštantnej hodnote 5V do
určitej hodnoty zaťažovacieho prúdu. K poklesu tohto napätia dochádza až pri výstupnom
zaťažovacom prúde 7,2A. Maximálny výstupný výkon meniča bol 35W čo sa líši od
požadovanej hodnoty 50W. To je spôsobené tým, že som pri výrobe použil snímací
38
Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
rezistor prúdu o 1,5 krát vyšší, čo odpovedá prúdu asi 7,5A. Ďalší dôvod spočíva
v konštrukcii transformátora v ktorom som použil vodiče menšieho prierezu, aby ich bolo
možné vhodne rozložiť do kostričky transformátora a tým najviac eliminovať rozptylovú
indukčnosť. A preto bol mierne zvýšený sériový odpor vinutí.
Nasledujúce obrázky zobrazujú priebehy zvlnenia napätia a prúdu.
Priebeh napätia na GATE
Priebeh napätia na DRAIN
a) P2 =0W
b) P2=10W
Obr. 5.11 Priebehy napätia na tranzistore MOSFET, a) P2=0W, b) P2=10W
Priebeh napätia na GATE
Priebeh napätia na DRAIN
a) P2 =20W
b) P2=30W
Obr. 5.12 Priebehy napätia na tranzistore MOSFET, a) P2=20W, b) P2=30W
39
Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
Priebeh prúdu Id (primárne vinutie transformátora)
Priebeh napätia na DRAIN
a) P2 =0W
b) P2=10W
Obr. 5.13 Napätie Uds a prúd tečúci tranzistorom, a) P2=0W, b) P2=10W
Priebeh prúdu Id (primárne vinutie transformátora)
Priebeh napätia na DRAIN
a) P2 =20W
b) P2=30W
Obr. 5.14 Napätie Uds a prúd tečúci tranzistorom, a) P2=20W, b) P2=30W
40
Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
Obr. 5.15 Výstupná charakteristika zdroja
Obr. 5.16 Grafická závislosť účinnosti od zaťaženia zdroja
Obr. 5.17 Grafická závislosť výstupného výkonu od zaťaženia zdroja
41
Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
6 ZÁVER
Cieľom tejto diplomovej práce bolo navrhnúť a simuláciou overiť činnosť meniča,
ktorý by umožnil nabíjanie superkapacitorov. Pre lepšie opísanie vlastností a zistenie
reálnych parametrov som skonštruoval fyzikálny model, na základe ktorého som mohol
porovnať simulované priebehy so skutočnými. Aj napriek tomu že sú meniče typu flyback
najjednoduchšími a najekonomickejšími typmi zdrojov, je ich konštrukcia veľmi náročná
a zložitá. Zložitosť spočíva hlavne v problematickej konštrukcii transformátora, ktorú som
realizoval ručne. Taktiež je pomerne zložité odladiť odľahčovacie RC siete a obvod
regulátora. Skonštruovaný menič dosahuje maximálnu účinnosť pri tretinovom zaťažení
a pohybuje
sa
okolo
79%,
s rastúcim
zaťažením
klesá.
To
bolo
spôsobené
poddimenzovaním prierezov vinutí transformátora. Pri plnom zaťažení dosahoval účinnosť
61% a to pri zníženom výstupnom napätí. Vyhotovený menič je schopný dodať maximálny
prúd 10A, čo je prúd zodpovedajúci požiadavkám návrhu. Merania ukázali, že vplyvom
vodivostných strát, nie je možné dosiahnuť výstupný výkon, na ktorý bol navrhnutý. Ďalší
faktor ktorý sa podpísal na účinnosti meniča, bol úbytok na výstupnom usmerňovači resp.
jeho stratový výkon. Preto bol menič schopný dodať do záťaže maximálny výkon iba 35W.
Skonštruovaná vzorka bola schopná nabiť superkapacitor o hodnote kapacity 1F priemerne
za 300ms po zapnutí meniča. Nanešťastie sa mi nepodarilo zachytiť osciloskopické
priebehy nabíjania.
Táto vzorka môže slúžiť ako zariadenie pre nabíjanie superkapacitora, ku ktorému
sa môžu pripájať ďalšie prvky (meniče, striedače a iné) a to buď priamo, alebo
prostredníctvom iných meničov. Je ju možné taktiež využiť na účely výučby v predmetoch
zameraných na výkonovú elektroniku.
42
Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
Zoznam použitej literatúry
DINWOODIE, L. 2001. Reference design: Isolated 50Watt flyback converter using the
UCC3809 primary side controller [online]. (2001). Dostupné na internete:
<http://www.itee.uq.edu.au/~elec4400/datasheets/switchers/U165%20Isolated%2050%20W%20Flyback%20Converter%20Using%20UCC3809%20slua
086.pdf>
CHAN, M. S. W. 2005. Effective charging method for ultracapacitors: Journal of Asian
electric vehicles [online]. (2005). Dostupné na internete:
<http://www.docjax.com/docs/detail/Effective-Charging-Method-forUltracapacitors/ag52aWV0YW5oLWRvY2pheHIVCxINZG9jc19kb2N1bWVudBi86BU
M/>
ILLINOIS CAPACITOR, Inc. Supercapacitors [online]. Dostupné na internete:
<http://www.docjax.com/docs/detail/Supercapacitors/ag52aWV0YW5oLWRvY2pheHIVC
xINZG9jc19kb2N1bWVudBiegRYM/>
JANÍČEK, F., 2009. Energetická bezpečnosť - priorita rozvoja hospodárstva SR [online].
(2009). Dostupné na internete:
<https://www.vedatechnika.sk/SK/VedaASpolocnost/NCPVaT/Stranky/EnergetickaBezpe
cnost.aspx>
KEMT, TUKE. Napájacie zdroje [online]. Dostupné na internete
<http://www.kemt.fei.tuke.sk/predmety/KEMT332_NAO/_materialy/MO-8-v1.pdf>
KREJČIŘÍK, A. 1997. Napájecí zdoje 1: Základní zapojení analogových a spínaných
napájecích zdrojů. 2. vydání - dotisk. Praha : Nakladatelství BEN, 1997. ISBN 80-8605602-3.
KREJČIŘÍK, A. 1997. Napájecí zdroje 2: Integrované obvody ve spínaných zdrojích. 2.
vydání, Praha : Nakladatelství BEN, 1997. ISBN 80-86056-03-1.
MAŠEK, Z. GREGORA, S. MICHL, J. DVOŘÁK, K. 2008. Vědeckotechnický sborník
ČD č. 25/2008 [online]. (2008). Dostupné na internete:
<http://www.cdrail.cz/VTS/CLANKY/vts25/2511.pdf>
MAXWELL Technologies. 2009. Superkapacitory [online]. (2009). Dostupné na internete:
<http://www.ecom.cz/katalog_pdf/maxwell.pdf> alebo
<http://www.ecom.cz/novinky/maxwell_user_manual.pdf >
43
Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
TEXAS INSTRUMENTS, Inc., 2008. Power supply topologies poster [online]. Dostupné
na internete: < http://focus.ti.com/lit/sg/sluw001d/sluw001d.pdf>
TEXAS INSTRUMENTS, Inc., 2001 Magnetics Design 5 - Inductor and Flyback
Transformer Design [online].(2001). Dostupné na internete:
<http://focus.ti.com/lit/ml/slup127/slup127.pdf>
44
ČESTNÉ VYHLÁSENIE
Vyhlasujem, že som zadanú diplomovú prácu vypracoval samostatne, pod
odborným vedením vedúceho diplomovej práce Ing. Mateja Páchu a používal som len
literatúru uvedenú v práci.
Súhlasím so zapožičiavaním diplomovej práce.
V Žiline dňa 14. 5. 2010
____________________
podpis
Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
Prílohová časť
Zoznam príloh
Príloha A: ....................................................................................................................... i
PRÍLOHOVÁ ČASŤ
Príloha A: Schéma zapojenia znižovacieho meniča pre superkapacitory
I
Download

Znižovací menič pre superkapacitory_DP - KME