Az áramellátás megtervezését TÉZISEK DIPLOMA TÉZISEK MILAN KARDO ILINKAI EGYETEM ILINÁN Villamosmérnöki Kar Távközlési Tanszék Tanszék: RÁDIÓ Kommunikáció Szakdolgozat témavezető: doc. Ing. Rudolf Hronec PhD. Képzettségi fok: inier (Ing.) A diplomamunka benyújtásának időpontja: 19. má. 2006 ILINA 2006

tápegység

Absztrakt Ez a diplomamunka egy hálózati kapcsolású tápegység tervezésével foglalkozik, amelyet nagyfrekvenciás erősítőkhöz terveztek. Az első fejezetben az RF erősítők, de más eszközök áramellátásának kérdésével foglalkozom. Taktika itt megpróbálom megközelíteni a lineáris és kapcsolt tápegységek előnyeit és hátrányait. A második fejezet a tápegységek kapcsolásának kérdésével foglalkozik. Itt foglalkozom a kapcsoló tápellátás elvével, az ezekben a forrásokban használt egyes elektronikus alkatrészekkel, valamint a kapcsoló tápegységek specifikus topológiáinak elvével. A harmadik fejezetben egy kapcsolt tápegység sajátos sémájának megtervezésével foglalkozom. Megpróbálom részletesebben leírni ennek a kapcsolatnak az egyes részeit, és elmagyarázni a teljes javasolt forrás működési elvét is. A diagram mellett ebben a fejezetben a nyomtatott áramköri lap gyakorlati tervezésével is foglalkozom. A negyedik fejezet az ORCAD programban javasolt kapcsolat szimulációinak, valamint az adott forrás gyakorlati méréseinek foglalkozik. Ebben a fejezetben megpróbáltam összehasonlítani a gyakorlati mérések és szimulációk eredményeit elméleti feltételezésekkel.

Ilinai Egyetem, Ilin, Villamosmérnöki Kar, Távközlési Tanszék Utolsó bejegyzés Vezetéknév és keresztnév: Kardo Milan Év: 2006 Cím: Tápellátási adások tervezése és TELEKOMMUNIKÁCIÓS ELEKTROMOS MÉRNÖK KAR Oldalak száma: 53 Képek száma: 42 Táblázatok száma: 1 et grafov: 0 Mellékletek száma: 9 Po et pou. lit .: 6 Annotation szlovák nyelven: Diplomamunkámban az RF lineáris erősítőkhöz tervezett kapcsolt tápegység optimális megoldásának tervezésével foglalkozom. Feladatom az volt, hogy megtervezzem és gyakorlatilag megvalósítsam ezt a kapcsoló tápegységet, tekintettel az RF áramkörökkel való használatára. Magyarázat angolul: Ebben a dolgozatban a nagyfrekvenciás lineáris erősítőhöz rendelt kapcsolt tápegység optimális megoldásának tervezésén dolgozom. Feladatom az volt, hogy megtervezzem és gyakorlatilag megvalósítsam ezt a kapcsolt tápegységet a nagyfrekvenciás áramkörökhöz való felhasználás szempontjából. Kulcsszavak: Kapcsoló tápegység, impulzus, topológia, átalakító, visszacsatolás, PWM vezérlés, szűrés, rendszerindítás, bekapcsolási idő, kikapcsolási idő, váltakozva, Orcad, témavezető: Doc. Ing. Rudolf Hronec, Ph.D. Lektor: A szakdolgozat benyújtásának dátuma: 2006.5.19

TARTALOMJEGYZÉK 1. Bevezetés. 1 2. Cie. 2 3. Tápegységek. 3 3.1 Bevezetés az RF erősítő tápellátásának kérdésébe. 3 3.2 Lineáris tápegységek. 3 3.3 Lineáris és kapcsolt tápegységek összehasonlítása. 5 4. Kapcsoló tápegységek. 7 4.1 Bevezetés a kapcsoló tápegységekbe. 7 4.2 A kapcsolt tápegységek alapvető csatlakozásai. 7 4.2.1 Buck típusú átalakító (feszültségcsökkentés). 9 4.2.2 Töltő átalakító (feszültségnövelés). 10 4.2.3 Buck Boost átalakító (feszültség inverzió). 11 4.3 A kapcsoló tápegységek jövője. 11 4.4 Transzformátorok kapcsolt tápegység-átalakítókban. 13 4.5 Teljesítmény-félvezetők kiválasztása. 15 4.6 Kondenzátorok a kapcsolóáramkörökben. 17 4.6.1 Szűrt (tároló kondenzátorok). 17 4.6.2 Impulzus kondenzátorok. 19 4.6.3 Csillapító kondenzátorok. 19 4.6.4 Kapcsolt kondenzátorok. 21 4.7 Kapcsoló tápegységek alapvető csatlakozásai. 22 4.7.1 Visszacsatolás (tároló csatlakozás). 22 4.7.2 Előre. 24 4.7.3 Nyomóhúzás. 27 4.7.4 Félhíd (hídkapcsolat). 29 4.7.5 Teljes híd. 30 4.8 Az impulzus szélességének modulációja. 31 5. A kapcsolt tápegység optimális megoldásának megtervezése. 33 5.1 Áramellátás kapcsolási kapcsolási rajza. 34 5.1.1 Beviteli irányelvek. 34 5.1.2 Bemeneti szűrő. 35 5.1.3 Kapcsoló. 35

5.1.4 Transzformátor. 36 5.1.5 Kimeneti irányelvek. 37 5.1.6 Kimeneti szűrő. 37 5.1.7 Visszajelzés. 38 5.1.8 Áramkörök táplálása egyenfeszültséggel. 40 5.1.9 A kapcsoló tápegység teljes csatlakozásának működésének leírása. 41 5.2 NYÁK-tervezés. 43 6. Szimulációk és gyakorlati mérések eredményei. 45 7. Következtetés. 53

(másodlagos amplitúdómérés). 6.8 Valódi feszültség lefutása a VD9 diódán. 49. ábra 6.9 Szimulált feszültségprofil a VD9 diódán. 50. ábra 6.10 A szimulált feszültség lefutása az L3 fojtón. 50. ábra 6.11 valós feszültségprofil az L3 fojtón. 51. ábra 6.12 A VT2 tranzisztor szimulátoros szimulátor hullámalakú árama. 51. ábra 6.13 A kimeneti feszültség hullámzásának szimulációja. 52

HASZNÁLT RÖVIDÍTÉSEK ÉS SZIMBÓLUMOK JEGYZÉKE K - stabilizációs aktivitás R Tst U IN U OUT t 1 t 2 s BHV f U REF U PWM U OSC U ERR AU ind SMPS PWM COMP FRED RMS OSC REF OUT GND - belső stabilizátor ellenállása - bemeneti feszültség - kimeneti feszültség - tranzisztor bekapcsolva - tranzisztor kikapcsolási ideje - váltakozó - mágneses indukció - mágneses intenzitás - feszültségesés előrefelé - referenciafeszültség - PWM szabályozó kimeneti feszültsége - oszcillátorfeszültség - hibafeszültség - energia - indukált feszültség - (kapcsolóüzemű tápegység) kapcsolt tápegység - (impulzusszélesség modulált) impulzusszélesség moduláció - (összehasonlító) összehasonlító - (gyors helyreállítási epitaxiális dióda) gyors helyreállítási epitaxiális dióda - (középérték gyökértéke) effektív érték - (oszcillátor) oszcillátor - (referencia) referencia - (kimenet) ) kimenet - (Föld) föld

DÁTUMOK SZÓJEGYZÉK Buck Boost Buck Boost Flyback Előre toló Pull Fél híd Teljes híd meghajtó Teljesítmény - feszültség csökkentés - feszültség növekedés - feszültség inverzió - felhalmozódó kapcsolat - áteresztő kapcsolat - dupla egyéb csatlakozás - híd csatlakozás - félhíd - híd csatlakozás - teljes híd - felébred - hatalom

DIPLOMA TÉZIS 2. CÉLKITŰZÉSEK A diplomamunka célja egy hálózati kapcsolású tápegység megtervezése és gyakorlati megvalósítása, amely alkalmas lenne nagyfrekvenciás erősítők és más elektronikus eszközök táplálására. Ha azt előnyösen RF erősítőkhöz tervezték, akkor biztosítani kell a kimeneti feszültség szűrését, hogy ne zavaró, magasabb harmonikusok hatoljanak be a kimenetbe. Az első fejezetben a tápegységek általános kérdésével foglalkozom, mind lineárisan, mind kapcsoltan. A második fejezet a kapcsoló tápegységekről, azok működésének elvéről, az egyedi csatlakozásokról és a PWM szabályozásról szól. A harmadik részben a kapcsoló tápegység optimális tervezésével és a nyomtatott áramköri kártya tervezésével foglalkozom. negyedik, és a gyakorlati mérésekre fogok összpontosítani, amelyeket a javasolt forráson megvalósítunk, valamint a szimulációk taktikájára az ORCAD 10-ben.

4. KAPCSOLOTT TÁPELLÁTÓK 4.1 Bevezetés a kapcsoló tápegységek kérdésébe A kapcsoló tápegységek népszerűsége a közelmúltban növekszik, és a piacon a tápegységek meghatározó csoportjává válnak. Lehetővé teszi kompakt, alacsony súlyú, térfogatú és nagy hatékonyságú eszközök létrehozását. A kapcsoló tápegységek gyakorlati kialakítása sokkal bonyolultabb, mint a lineáris tápegységek, és a kiválasztás bonyolultságát tovább bonyolítja a tervezésük [2]. 4.2 A kapcsolt tápegység alapcsatlakozása ábra. 4.1 A kapcsolt üzemmódú áramellátás blokkvázlata [2] A kapcsolt üzemmódú tápegység több alapvető részből áll, amelyeket a 2. ábra mutat. 4.1. Nem mindig tartalmaz mindent (kimeneti szűrő), és gyakran tartalmaz néhány extrát (beviteli irányelvek). A kapcsoló tápegység működésének feltétele az egyirányú bemeneti feszültség, amennyire lehetséges, a váltakozó komponenstől a lehető legnagyobb mértékben mentes, amely alacsony frekvenciája (50Hz) miatt könnyen áthalad a teljes szűrőn és annak kimenetén. Így két alapvető lehetőség van, vagy a bemeneti feszültség egyirányú, és általában nagyon kicsi a belső ellenállás, akkor a kimeneti szűrőigény nem magas, az ilyen forrásokat DC DC átalakítóknak nevezzük. Második lehetőség 7. oldal

4.4 Transzformátorok kapcsoló tápegység-átalakítókban A nem különálló verziók csak korlátozottan használhatók DC-DC vezérlőként, amelyek csak egyetlen kimenetet képesek előállítani. A kimeneti tartomány a bemeneti és a munkaciklus által korlátozott. Transzformátor hozzáadása megszünteti ezeknek a korlátozásoknak a többségét, és egy átalakítónak a következő előnyökkel jár: 1. A bemenet külön van a kimeneten. Erre mindig szükség van a 220 V-os hálózati alkalmazásokban, ahol a kimenet bizonyos fokú biztonságát kell biztosítani. 2. Az aránytranszformátor a bemenettől jelentősen eltérő kimenetet képes biztosítani, a nem különálló verziók a tartomány körülbelül ötszörösére korlátozódnak. A megfelelő arány kiválasztásával az átalakító munkaciklusa optimális lehet, és a csúcsáram minimalizálható. Az egyes kimenetek polaritása opcionális, a szekunder és az elsődleges polaritásától függően. 3. Többszörös kimenet könnyen elérhető, ha egyszerűen több szekunder tekercset csatlakoztatunk egy transzformátorhoz. A transzformátorokkal is vannak olyan hátrányok, mint például a további méretek, súly és energiaveszteség. A kóbor induktivitás okozta feszültségcsúcsok kialakulása szintén problémát jelenthet. 13. oldal

A szűrőkondenzátor tipikus csatlakozását a 2. ábra mutatja. A 4.7. Ábrán a szűrőkondenzátor feszültségének menete az azon átfolyó árammal együtt a 4. ábrán látható. 4.8. ÁBRA. 4.7 A szűrőkondenzátor alkalmazása a kapcsolótáp kimenetén ábra. 4.8 Feszültség és áram hullámformák a szűrőkondenzátoron a kapcsolótáp kimenetén ábra. 4.9 Feszültség és áram hullámformák a tároló kondenzátoron A kapcsoló tápegységek szempontjából szűrő kondenzátorokat keresünk a tápegység kimenetén. A tároló kondenzátornak biztosítania kell, hogy a kapcsoló tápegység a szükséges csúcsáramot akkor kapja meg, amikor azt le kell szüntetni, és amikor az áramellátás nem képes ellátni (4.9. Ábra). A kapcsoló tápegység szempontjából a kondenzátor mindig a bemeneténél halmozódik fel. 18. oldal

4.6.2 Impulzus kondenzátorok Ezek egyenáramú kondenzátorok, amelyeket bemeneti és kimeneti áramfeszültségekhez használnak. A sebességváltás alkalmával időnként feltöltődnek és kisülnek. A gyors kisülés miatt kis belső induktivitásra (L 300 nh) van szükség ezekhez a kondenzátorokhoz. Az impulzus kondenzátorok előnyei a nagy energiakapacitás, a nagy csúcsáram és egy kis öninduktivitás továbbításának képessége. Az impulzus-kondenzátor csatlakoztatásának példája látható az 1. ábrán. A 4.10. Ábrán az impulzus-kisütött kondenzátor feszültség- és áramhullám-alakja látható a 4. ábrán. 4.11. Az impulzus kondenzátorok előnyei a nagy energiakapacitás, a nagy csúcsáram és egy kis öninduktivitás továbbításának képessége. ÁBRA. 4.10. Ábra Példa az impulzus kondenzátor csatlakoztatására 4.11 Feszültség és áram hullámformák impulzusos kisütésű kondenzátoron 4.6.3 Csillapító kondenzátorok Ezek olyan váltakozó áramú kondenzátorok, amelyek párhuzamosan vannak összekötve félvezető eszközökkel, hogy elnyomják vagy korlátozzák az induktív lámpák kikapcsolásakor felmerülő nem kívánt feszültségcsúcsokat (a szekunder tekercs induktivitása). gerjesztő transzformátor). A csillapító kondenzátorokat periodikusan töltik 19. oldal

4.6.4 Kapcsoló kondenzátorok: Váltakozó feszültségűek és a félvezető alkatrészek tranziens állapotának elnyomására szolgálnak. Ezeket a kondenzátorokat periodikusan pulzálják és kisütik olyan árammal, amelynek maximális értéke jelentősen meghaladja az effektív (RMS) értéket. A kapcsolt kondenzátorokat nagy reaktivitásnak és nagy fémáramnak teszik ki. Az állapotok közötti átmeneti idő meghatározó a kondenzátor elindulásához. Magas frekvenciákhoz (10 és 100 khz) a kondenzátornak mindenképpen kapacitív reaktanciával kell rendelkeznie, azaz kis öninduktivitással kell megtervezni. Ezeknek a kondenzátoroknak magas reaktivitási teljesítmény mellett magas hőmérsékleti stabilitással kell rendelkezniük, képesnek kell lenniük a magas csúcsáram továbbítására, és kismértékű belső induktivitással kell rendelkezniük. Ábra a kommutált kondenzátorok csatlakoztatására mutat példát. A 4.14. Ábrán a kapcsolt kondenzátorok feszültség- és áramhullám-alakja látható. 4.15. ÁBRA. 4.14 Kommutált kondenzátorok csatlakoztatása (a lehetséges változatok egyike) ábra. 4.15 Feszültség és áram hullámformák egy kommutáló kondenzátoron A kommutáló kondenzátoroknak magas reaktív teljesítmény mellett magas hőmérsékleti stabilitással kell rendelkezniük, képeseknek kell lenniük nagy csúcsáram viselésére és kicsi öninduktivitásra. 21. oldal

4.7 Kapcsoló tápegységek alapvető csatlakozásai A kapcsoló tápegységek csatlakozásai általában bonyolultak, és tudásukhoz ismerni kell az ilyen tápegységekben használt speciális integrált áramkörök belső csatlakozását. Ha eltekintünk a visszacsatolt stabilizáló áramkörök területétől, akkor a kapcsoló tápegységek összekapcsolásuk és működésük szerint több alapvető csoportra oszthatók. Az egyes kapcsolatokat általában a primer áramkörökből a szekunder áramkörökbe történő energiaátadás módja szerint különböztetjük meg. Ebben a fejezetben megpróbálom a legtisztábban megmagyarázni az egyes kapcsolatok működési elvét és jellemzőit. 4.7.1 Visszacsatolás (akkumulációs kapcsolat) ábra. 4.16. Ábra Flyback tranzisztor típusú átalakító ábra 4.17 Flyback tranzisztortípus nyitva 22. oldal

alkalmazott osztott kimeneti feszültség U kimenet (nem lehet teljes feszültséget szolgáltatni, mert