Esempi di progetto di alimentatori

Transcript

1 Alimenaori 1 Esempi di progeo di alimenaori Progeo di alimenaore senza circuio di correzione del faore di poenza (PFC) Valore del condensaore Correne di picco Scela diodi Correne RMS Progeo di alimenaore con PFC 003 Poliecnico di Torino 1

2 nroduzione Esempio di progeo di alimenaore da ree Specifiche: Ree: 30V eff Assorbimeno del carico: 00W Dimensionare C e i diodi nei due casi: Alimenaore senza PFC Alimenaore con PFC 3 Esempi di progeo di alimenaori Poliecnico di Torino

3 Progeo di un alimenaore classico Lo schema di riferimeno del caso raao in quesa lezione è il seguene (senza rasformaore a 50Hz) F C L R L N 5 Progeo alimenaore : specifiche n uscia si avranno circa 30V V V L L 30V 30V eff Poliecnico di Torino 3

4 Progeo alimenaore : specifiche n uscia si avranno circa 30V Carico: resisenza R L Per 00W d uscia> R R VL 30V eff 30V L L (30V ) 00W 500Ω 7 Progeo alimenaore : specifiche n uscia si avranno circa 30V Carico: resisenza R L Per 00W d uscia> Correne di carico > L L VL 30V eff 30V R L (30V ) 500Ω 00W 30V / 500 Ω 0,6A Poliecnico di Torino 4

5 Progeo alimenaore : specifiche n uscia si avranno circa 30V Carico: resisenza R L Per 00W d uscia> Correne di carico > Quesi dai permeono di calcolare il valore di C a parire da specifica su ripple di ensione sul carico VL 30V eff 30V R L (30V ) 500Ω 00W L 30V / 500 Ω 0, 6A 9 Progeo di un alimenaore senza PFC Poliecnico di Torino 5

6 Progeo alimenaore : ripple Scarica del condensaore: Esponenziale con τ elevaa: Si approssima con una rea V C T / V R 11 Progeo alimenaore : ripple Scarica del condensaore: Esponenziale con τ elevaa: Si approssima con una rea Si approssima il empo di scarica con T / V C T / V R Poliecnico di Torino 6

7 Progeo alimenaore : ripple Scarica del condensaore: Esponenziale con τ elevaa: Si approssima con una rea Si approssima il empo di scarica con T / a 50Hz, T0ms, T / 10ms V C T / V R V RPPLE Q 1 T L C C L fc 13 Progeo alimenaore : condensaore Per avere basso ripple occorre C grande: Coso e ingombro elevai C f L V RPPLE Poliecnico di Torino 7

8 Progeo alimenaore : condensaore Per avere basso ripple occorre C grande: Coso e ingombro elevai Occorre soluzione di compromesso: Scegliamo V RPPLE 5V C f L V RPPLE 0,6A C 50Hz 5V C 40µ F 15 Progeo alimenaore : condensaore Per avere basso ripple occorre C grande: Coso e ingombro elevai Occorre soluzione di compromesso: Scegliamo V RPPLE 5V 40µF non è un valore normalizzao: i più vicini sono 70µF e 330µF Occorre enere cono delle olleranze: 70µF porebbe essere al limie C f L V RPPLE 0,6A C 40µ F 50Hz 5V Poliecnico di Torino 8

9 Progeo alimenaore : condensaore Per avere basso ripple occorre C grande: Coso e ingombro elevai Occorre soluzione di compromesso: Scegliamo V RPPLE 5V 40µF non è un valore normalizzao: i più vicini sono 70µF e 330µF Occorre enere cono delle olleranze: 70µF porebbe essere al limie C f L V RPPLE 0,6A C 40µ F 50Hz 5V Scela finale: 70µF 400V L 17 Progeo di un alimenaore senza PFC Poliecnico di Torino 9

10 Progeo alimenaore : diodi Correne nei diodi mpulsiva Si può approssimare con riangolo o parabola D PK 19 Progeo alimenaore : diodi Correne nei diodi mpulsiva Si può approssimare con riangolo o parabola Quano dura? Angolo di conduzione α C nersezione di rea di scarica del condensaore con la sinusoide raddrizzaa α C D V arccos arccos PK V V PK RPPLE Poliecnico di Torino 10

11 Progeo: calcolo correne di picco Come calcolare PK? L inegrale di D d coincide con la carica cedua da C in T/ D PK T 1 1 Progeo: calcolo correne di picco Come calcolare PK? L inegrale di D d coincide con la carica cedua da C in T/ Con approssimazione riangolare: Q PK T 1 / D T 1 PK 003 Poliecnico di Torino 11

12 Progeo: calcolo correne di picco Come calcolare PK? L inegrale di D d coincide con la carica cedua da C in T/ Con approssimazione riangolare: Q PK T 1 / Con approssimazione parabolica Q PK T 1 / 3 D T 1 PK 3 Progeo: calcolo correne di picco Come calcolare PK? L inegrale di D d coincide con la carica cedua da C in T/ Con approssimazione riangolare: Q PK T 1 / Con approssimazione parabolica Q PK T 1 / 3 La seconda approssimazione è più vicina ai risconri sperimenali D PK T 1 3 Q PK T Poliecnico di Torino 1

13 Progeo alimenaore: correne di picco T 1 è il empo di conduzione CT T1 α 1, 3ms Progeo alimenaore: correne di picco T 1 è il empo di conduzione Q è il prodoo di L per il semiperiodo della ensione di ree CT T1 α 1,3ms 360 LT Q Poliecnico di Torino 13

14 Progeo alimenaore: correne di picco T 1 è l angolo di conduzione Q è il prodoo di L per il semiperiodo della ensione di ree Dunque PK può essere espressa in funzione della correne nel carico e dell angolo di conduzione αct T1 1,3ms 360 LT Q L180 3 PK α C 7 Progeo alimenaore: correne di picco T 1 è l angolo di conduzione Q è il prodoo di L per il semiperiodo della ensione di ree Dunque PK può essere espressa in funzione della correne nel carico e dell angolo di conduzione Nel nosro caso> αct T1 1,3ms 360 LT Q L180 3 PK α C L PK 7 A Poliecnico di Torino 14

15 Progeo di un alimenaore senza PFC 9 Progeo alimenaore: scela diodi Per scegliere i diodi occorre considerare: Correne media Correne di picco ripeiiva Correne di picco non ripeiiva> inrush curren Tensione inversa i C Poliecnico di Torino 15

16 Progeo alimenaore: raddrizzaore Raddrizzaore a pone: Correne media: 0,3A (ogni diodo conduce in una semionda) i C 0 31 Progeo alimenaore: raddrizzaore Raddrizzaore a pone: Correne media: 0,3A (ogni diodo conduce in una semionda) Correne di picco ripeiiva: 7A (già calcolaa) i C Poliecnico di Torino 16

17 Progeo alimenaore: raddrizzaore Raddrizzaore a pone: Correne media: 0,3A (ogni diodo conduce in una semionda) Correne di picco ripeiiva: 7A (già calcolaa) nrush curren:? (dipende dai parameri parassii) i C 0 33 Progeo alimenaore: raddrizzaore Raddrizzaore a pone: Correne media: 0,3A (ogni diodo conduce in una semionda) Correne di picco ripeiiva: 7A (già calcolaa) nrush curren:? (dipende dai parameri parassii) Tensione inversa: 30V. Per sicurezza: 400V i C Poliecnico di Torino 17

18 Progeo di un alimenaore senza PFC 35 Progeo alimenaore: scela condensaore Condensaore: Tensione ai capi: 30V. Eleroliico da 400V Quano vale la correne efficace? mporane per la scela del condensaore i C Poliecnico di Torino 18

19 Progeo alimenaore: correne di ree l valore della correne RMS nel condensaore è difficile da calcolare direamene. E più facile parire dalla correne di ree 1,3ms 7A T / RETE 37 Progeo alimenaore: correne di ree l valore della correne RMS nel condensaore è difficile da calcolare direamene. E più facile parire dalla correne di ree 1,3ms 7A T / RETE RMS T / T 0 i ( ) d Poliecnico di Torino 19

20 Progeo alimenaore: correne di ree l valore della correne RMS nel condensaore è difficile da calcolare direamene. E più facile parire dalla correne di ree Uilizziamo l approssimazione parabolica 1,3ms RMS T T T 0 1 7A T / T / 0 4 T1 PK RETE i ( ) d 39 1 d T 1 Progeo alimenaore: correne di ree l valore della correne RMS nel condensaore è difficile da calcolare direamene. E più facile parire dalla correne di ree Uilizzando l approssimazione parabolica, la correne RMS vale 1,8A La poenza apparene è RMS V RMS 30V 1,8A 414W 1,3ms RMS T 8 15 T1 T 0 PK 7A T / 4 T1 T 3,4A 1 PK RETE 40 1 d T Poliecnico di Torino 0

21 Alimenaore: correne nel condensaore Dall equazione al nodo si ha: RMS (Σ( ))0 C 41 Alimenaore: correne nel condensaore Dall equazione al nodo si ha: RMS (Σ( ))0 Se le correni sono orogonali (1) : Σ( )0 C (1) nel senso che nel carico va solo la coninua e nel condensaore solo l alernaa Poliecnico di Torino 1

22 Alimenaore: correne nel condensaore Dall equazione al nodo si ha: RMS (Σ( ))0 Se le correni sono orogonali (1) : Σ( )0 CRMS 3A CRMS 1,73A Dunque la correne nel condensaore è maggiore di quella nel carico C (1) nel senso che nel carico va solo la coninua e nel condensaore solo l alernaa 43 Esempi di progeo di alimenaori Poliecnico di Torino

23 Progeo PFC: specifiche Uilizzando il PFC è ovviamene diversa la correne nei diodi, ma che cosa succede al condensaore? Usiamo le sesse specifiche del progeo precedene: Poenza sul carico: 00W Tensione di ree: 30V eff 45 Progeo PFC: dai carico n uscia si avranno circa 390V (il PFC ha uscia più ala della ensione di picco d ingresso) Carico: resisenza R L Per 00W d uscia> R L (390V ) 760Ω 00W Poliecnico di Torino 3

24 Progeo PFC: dai carico Correne di carico > L 390V / 760 Ω 0, 51A Con quesi dai si può dimensionare C, a parire da specifica su ripple di ensione sul carico Assumiamo V RPPLE 5V come nel caso precedene 47 Progeo PFC: calcolo energia La poenza fornia dal PFC è di ipo sinusoidale, con espressione del ipo indicao a lao P PFC P T/4 ε 1 1 4π k + sin T Poliecnico di Torino 4

25 Progeo PFC: calcolo energia La poenza fornia dal PFC è di ipo sinusoidale, con espressione del ipo indicao a lao La poenza assorbia dal carico è cosane, pari a 00W. l valore di picco di P PFC è400w. P PFC P T/4 ε 1 1 4π k + sin T 49 Progeo PFC: calcolo energia La poenza fornia dal PFC è di ipo sinusoidale, con espressione del ipo indicao a lao La poenza assorbia dal carico è cosane, pari a 00W. l valore di picco di P PFC è400w. ε è calcolabile dall inegrale > P PFC P T/4 ε 1 1 4π k + sin T W T 4 4π ε 00 sin d 0 T 00W 5ms 0,637J π Poliecnico di Torino 5

26 Progeo PFC: calcolo condensaore l valore di C deermina il ripple mponendo che il ripple sia di 5V, come per il caso senza PFC, si oiene ( V ) 1 ε C V1 1 C 1 1 C 5V 390V ( V V )( V + V ) 51 Progeo PFC: calcolo condensaore l valore di C deermina il ripple mponendo che il ripple sia di 5V, come per il caso senza PFC, si oiene: C0,637J/ (5 390)V 65,3µF Tenendo cono delle olleranze: C8 µf /450V L ( V ) 1 ε C V1 1 C 1 1 C 5V 390V ( V V )( V + V ) La capacià è circa un erzo di quella dell esempio precedene Poliecnico di Torino 6

27 Progeo PFC: calcolo condensaore l valore di C deermina il ripple mponendo che il ripple sia di 5V, come per il caso senza PFC, si oiene: C0,637J/ (5 390)V 65,3µF Tenendo cono delle olleranze: C8 µf /450V L ( V ) 1 ε C V1 1 C 1 1 C 5V 390V ( V V )( V + V ) Quano vale la correne RMS nel condensaore? 53 PFC: correne nel condensaore Se si rascura il ripple, si può supporre V L cosane n queso caso, essendo P/V, la correne di ingresso divena una sinusoide raslaa il cui valor medio rappresena la correne d uscia e le componeni in frequenza sono assorbie dal condensaore (+swiching) P/V L 0,51A C Poliecnico di Torino 7

28 Progeo PFC: conclusioni RMS (0,51/ )A0,36A Sono evideni i vanaggi: Condensaore più piccolo Correne inferiore (via più lunga) Ripple generao da correne sinusoidale (+swiching) C 0,51A 55 Progeo PFC: calcolo alernaivo ripple l fao che la correne media in C sia sinusoidale ci suggerisce un meodo più semplice per calcolare il ripple: La ensione provocaa da una correne sinusoidale ai capi di un condensaore è del ipo: V C X C C Ma X C 1/(ωC )1/(π 100Hz 8µF )19,4Ω V CPK 19,4Ω 0,51A9,9V (circa 0V PP, coerenemene con il progeo) Poliecnico di Torino 8