Szélessávú Hírközlés és Villamosságtan Tanszék Űrtechnológia laboratórium Szabó József Egyszerű feszültség és áramszabályozó Űrtechnológia a gyakorlatban Budapest, 2014. április 10.
Űrtetechnológia a gyakorlatban 2014. 04. 10. Egyszerű feszültség és áramszabályozó / 2 Ismétlés Egyszerű párhuzam a műholdfedélzeti energiaellátás két alapesetével DET és PPT elvek Egyszerű sönt szabályozó és DET párhuzam Generátor + ellenállások = napelem Zener dióda = sönt Kimenet = busz terhelés Egyszerű áram v. feszültség szabályozó és PPT párhuzam Generátor + ellenállások = napelem Tranzisztor = soros Kimenet = busz terhelés
Űrtetechnológia a gyakorlatban 2014. 04. 10. Egyszerű feszültség és áramszabályozó / 3 Ismétlés Energiaellátó rendszer alapvető architektúrák Párhuzamos szabályozás (DET) I napelem = I sönt + I terhelés feszültség konstans Soros szabályozás (PPT) U napelem = U soros + U terhelés áram konstans Napelem Párhuzamos Terhelés Napelem Soros Terhelés I sa Konstans terhelés Napelem Párhuzamos szabályozás (DET) A és B pont P napelem = P terhelés C és D pont P napelem max = P terhelés + P sönt U sa
Űrtetechnológia a gyakorlatban 2014. 04. 10. Egyszerű feszültség és áramszabályozó / 4 Célok Egyszerű áramnyelő szabályozó Egyszerű soros feszültség szabályozó Us Rt It=Ue/Re Ub=Us*R2/(+R2) Ube=0.7V Ue=Ub-Ube R2 Re -R2 "feszültség generátor" Re áram beállító (kis hőfokfüggés) Rt terhelés -R2 "feszültség generátor" Rc másodlagos szerepe (0-Rmax) Rt terhelés
Űrtetechnológia a gyakorlatban 2014. 04. 10. Egyszerű feszültség és áramszabályozó / 5 Egyszerű soros feszültség szabályozó 1. Us Rc Kimenet szűrése. Ub=Us*R2/(+R2) Ube=0.7V R2 C Ue=Ut=Ub-Ube Rt
Űrtetechnológia a gyakorlatban 2014. 04. 10. Egyszerű feszültség és áramszabályozó / 6 Egyszerű soros feszültség szabályozó 2. Us Rc Kimenet független a terhelés változástól. Ub=Us*R2/(+R2) Ube=0.7V Uz C Ue=Ut=Uz-Ube Rt
Űrtetechnológia a gyakorlatban 2014. 04. 10. Egyszerű feszültség és áramszabályozó / 7 Egyszerű soros feszültség szabályozó 3. Us Ub=Us*R2/(+R2) Rc Ube=0.7V Kimenet független a pn átmenet hőmérsékletének változásától. Uz C Ue=Ut=Uz+Ud-Ube=Uz ha Ud=Ube Rt
Űrtetechnológia a gyakorlatban 2014. 04. 10. Egyszerű feszültség és áramszabályozó / 8 Us Egyszerű soros feszültség szabályozó 4. Ub=Us*R2/(+R2) T1 Rc Ube=0.7V Kimenet független a Zener dinamikus ellenállásától (terhelés változásra). Zener hibajel erősítő szerepe Ue=Ut=Uz+Ube Uz C Rt T2 R2
Űrtetechnológia a gyakorlatban 2014. 04. 10. Egyszerű feszültség és áramszabályozó / 9 Tranzisztor Aktív áramköri elemek Áramvezérelt (idális nincs) BE dióda vékony BC dióda vastag bázisú A három fő paraméter I cmax U cemax f T PNP és NPN MOS tranzisztor Feszültség vezérelt A három fő paraméter I dmax U dsmax R dson P és N típus Jfet (field-effect transistor) Tirisztor, triak, IGBT, pjt, ujt stb.
Űrtetechnológia a gyakorlatban 2014. 04. 10. Egyszerű feszültség és áramszabályozó / 10 Tranzisztor paraméterek hőfokfüggése
Űrtetechnológia a gyakorlatban 2014. 04. 10. Egyszerű feszültség és áramszabályozó / 11 Egyszerű áram szabályozó tervezése (mintapélda) Feszültség forrás + áram szabályozó = áramgenerátor Áramiránytól függően: Nyelő típusú (current sink) Forrás típus (current source) Áramköri elhelyezkedéstől függően: Fezsültség forrás pozitív kapcsa (forrás) Feszültség forrás negatív kapcsa (nyelő) Áram iránya
Űrtetechnológia a gyakorlatban 2014. 04. 10. Egyszerű feszültség és áramszabályozó / 12 Us Ub=Us*R2/(+R2) Iosztó R2 Ideális esetben: Ib b e c Rt Ube=0.7V Ue=Ub-Ube Re Ib << Iosztó = Us/(+ R2) B végtelen Ube hőfokfüggetlen It=Ue/Re Egyszerű áramnyelő szabályozó tervezése (mintapélda) Terhelés: Rt min = 0 ohm Rt max = (Us-Ue-Ube)/It (az aktív tartomány határa) Valóságos esetben: Ib <Iosztó (pl. Ib = 0.05*Iosztó) B = 10-100 (hőfokfüggő) Ube = 0,7V-2mV/K*deltaT (25 C -ra normalizálva)
Űrtetechnológia a gyakorlatban 2014. 04. 10. Egyszerű feszültség és áramszabályozó / 13 Egyszerű áramnyelő szabályozó tervezés Ha Ib << Iosztó akkor Ha Ib < Iosztó akkor Ha Ib << It akkor Ub= Us R2 + R2 Ub= + Ib + R2 + R2 R2 It Ic Ub Uf Ib = = It = B B Re Us Ha Ib < It Ub Uf It= Re 1 1 1+ B akkor It It Ic Ub Uf Ib = = It= Ib B B Re Ub Uf B = Re 1+ B Ube=Uf
Űrtetechnológia a gyakorlatban 2014. 04. 10. Egyszerű feszültség és áramszabályozó / 14 Tranzisztor Ube nyitófeszültség hőfok kompenzálása It=Ue/Re Us Rt Us Rt It=Ue/Re Ub=Uf+(Us-Uf)*R2/(+R2) Ube=0.7V Uf=0.7V UR2=(Us-Uf)*R2/(+R2) Ue=Ub-Ube Re Ub=Ube+(Us-Ube)*R2/(+R2) UR2=(Us-Ube)*R2/(+R2) R2 Ube=0.7V Ube=0.7V Ue=Ub-Ube Re R2
Űrtetechnológia a gyakorlatban 2014. 04. 10. Egyszerű feszültség és áramszabályozó / 15 Tranzisztor B egyenáramú erősítés hőfok és Us változás kompenzálása Us Rt It=Ue/Re Ub=Ube+Uz Ube=0.7V Ube=0.7V Uz Ue=Ub-Ube=Uz Re
Űrtetechnológia a gyakorlatban 2014. 04. 10. Egyszerű feszültség és áramszabályozó / 16 Példák a Netről Precision Current Source Precision Current Sink
Űrtetechnológia a gyakorlatban 2014. 04. 10. Egyszerű feszültség és áramszabályozó / 17 Mintapélda mérési eredményekkel Mért áram [ma] Az áram változása a hőmérséklet függvényében 20,610 20,600 20,590 10V 20,580 12V 20,570 14V 20,560 20V 20,550 20,540 30V 20,530 20,520-60 -30 0 25 29 50 80 Hőmérséklet [Celsius fok] + U2 9 U B = R 1 R 2 + R 2 V1 9 9V= 9V 0,7V + R R2 Re E LED2 CQX35A i T2!NPN t C2 47u C1 100n R3 13k 75k U1 BAL74C + -+ OP1!OPAMP T1!NPN R2 125 LED1 CQX35A F NORPS-11 + Ω ZM1
Célok (ismétlés) Űrtetechnológia a gyakorlatban 2014. 04. 10. Egyszerű feszültség és áramszabályozó / 18 Egyszerű áramnyelő Egyszerű soros szabályozó feszültség szabályozó Us Rt It=Ue/Re Ub=Us*R2/(+R2) Ube=0.7V Ue=Ub-Ube R2 Re -R2 feszültség generátor Re áram beállító Rt terhelés -R2 feszültség generátor Rc másodlagos szerepe Rt terhelés
Űrtetechnológia a gyakorlatban 2014. 04. 10. Egyszerű feszültség és áramszabályozó / 19 Tervezés követelményei Alap paraméterek Ube minimum Ube maximum Uki Uki tolerancia Iki minimum Iki maximum Optimális tervezés Hőmérséklet min Hőmérséklet max Paraméter szórás Aktív eszköz disszipáció minimalizálás Szabályozó fogyasztás minimalizálás = hatásfok max
Űrtetechnológia a gyakorlatban 2014. 04. 10. Egyszerű feszültség és áramszabályozó / 20 Tápegységek (fontosabb fogalmak) Elsődleges energiaforrás Tápegység Fogyasztó Tápegységek illesztik az elsődleges energia forrást a fogyasztóhoz. Energia forrás: feszültség generátor, áramgenerátor, vagy vegyes (napelem) egyen vagy váltó paraméterű (DC vagy AC) Tápegységek osztályozás szempontok felhasználás célja (berendezésbe építhető, nyákba építhető, labor asztali) energia bemenetek száma (egy vagy több bemenet) kimenetek száma (egy vagy több kimenet) üzemmód (lineáris vagy kapcsoló üzemű) állandó vagy változtatható ki és bemeneti paraméterek (CV, CC, vegyes) galvanikus elválasztás Tápegységek felépítése energia átviteli lánc vezérlő kör
Űrtetechnológia a gyakorlatban 2014. 04. 10. Egyszerű feszültség és áramszabályozó / 21 Energia átviteli lánc elemei Egyeneirányítók (AC energia forrásból DC) Transzformátorok (AC energia forrásból másik AC) Lineáris üzem soros (PPT) beavatkozó elem párhuzamos (DET) sönt beavatkozó elem transzformátor Kapcsoló üzemű cella elemei vezérelt kapcsolók (tranzisztor) polaritás vezérelt kapcsolók (dióda) energia tárolók (kondenzátor, tekercs) transzformátorok szűrők (kondenzátorok, tekercsek)
Űrtetechnológia a gyakorlatban 2014. 04. 10. Egyszerű feszültség és áramszabályozó / 22 Referencia forrás Vezérlőkör elemei Hibajel erősítő (Referencia és szabályozott paraméter összehasonlítása) Bekapcsolási csúcsáram korlátozó (töltetlen energiatárolók) Alulfeszültség védelem (kapcsoló üzem esetén fontos) Túlfeszültség védelem (bemeneten és kimeneten is lehet fontos) Túláram védelem Túlmelegedés védelem Üzemállapot jelzés Hibajelzés Analóg telemetria Kapcsolóüzemű szabályozó típusok: Feszültség módusú Árammódusú
Űrtetechnológia a gyakorlatban 2014. 04. 10. Egyszerű feszültség és áramszabályozó / 23 Referencia zener diódával Uz = Ubz + Iz Zz = Ubz + Us R Ubz + Zz Zz
Űrtetechnológia a gyakorlatban 2014. 04. 10. Egyszerű feszültség és áramszabályozó / 24 Referencia zener diódával és konstan áramú generátorral +2mV/C zener dióda -2mV/C tranzisztor bázis Iz = Ubet1 Rs Uref = Uz+ Ubet1= Ubz+ Iz Zz+ Ubet1
Űrtetechnológia a gyakorlatban 2014. 04. 10. Egyszerű feszültség és áramszabályozó / 25 Elhanyagolható bázisáramok K konstans Tj réteghőmérséklet változás I1 > I2 Uref = Ubet3+ I 2 R2 I 2 = Uref Ubet1 Ubet2 Ubet1 Ubet2 = Ubet3+ R2 Ubet1= Tj K lni1 Ubet2= Tj K lni 2 Uref = Ubet3+ Tj R2 K ln Bandgap referencia I1 I 2 Ubet3 negatív (-2mV/K ) I1 > I2 tehát ln(i1/i2) pozitív I1,, R2 --> Uref = 0
Űrtetechnológia a gyakorlatban 2014. 04. 10. Egyszerű feszültség és áramszabályozó / 26 Tranzisztoros feszültség szabályozó Energiaforrás Beavatkozó jel Szabályozó eszköz Szabályozott kimenet Alapjel (referencia) Hibajelerősítő Ellenőrző jel = Uki*R2/(+R2)
Űrtetechnológia a gyakorlatban 2014. 04. 10. Egyszerű feszültség és áramszabályozó / 27 Az anyaghoz kapcsolódó kérdések Milyen tranzisztor típusokat ismer? Mi határozza meg a munkaponti áramot a különböző fajták esetében? Mutassa be az egyszerű áramnyelő szabályozót. Mely paraméterek befolyásolják az áram érték pontosságát és milyen módszerekkel lehet a pontosságot javítani? Ismertesse az egyszerű áramnyelő szabályozó méretezés szempontjai! (Számpélda: méretezés adott paraméterekkel) Milyen módszereket lehet használni a terhelés és hőmérséklet változás hatásainak kiküszöbölésére az egyszerű áramszabályozó esetében? Milyen módon származtatható az egyszerű áramszabályozóból feszültségszabályozó? Milyen módszereket lehet használni a terhelés és hőmérséklet változás hatásainak kiküszöbölésére egyszerű soros feszültség szabályozó esetében? Egyszerű feszültség szabályozó méretezés szempontjai! (Számpélda: méretezés adott paraméterekkel) Milyen szempontok szerint osztályozzuk a tápegységeket? Milyen főbb egységekből épül fel egy tápegység, mik az egységek alkotó elemei? Milyen referencia feszültség forrásokat ismer és milyen azok hőmérséklet függése? Ismertesse a hibajel erősítőt tartalmazó feszültség szabályozó működési elvét!