sterowanie urz. wysokomocowych, oraz straty cieplne mocy

[pk_82]

hej, nie jestem elektronikiem, i nie wiem czy na odpowiednim forum zamieszczam mój problem, otóż potrzebuje odpowiedzi na takie dwa pytania:
1. Zagadnienia strat cieplnych mocy w układach zasilania ze stabilizatorem
2. Metody sterowania urządzeń wysokomocowych (głównie silniki)
Pilnie potrzebuję jakiś materiałów. Byłbym bardzo wdzięczny za odpowiedzi.

[MDz]

Załóżmy, że...

- Masz źródło zasilania dostarczające napięcia U1.
Np. akumulator samochodowy o nominalnej wartości U1=12V (a w praktyce: 10.5...14.4V)
- Masz obciążenie (czyli coś co chciałbyś zasilić) wymagające niższego napięcia zasilania U2, Na początek niech to bedzie np. żarówka 6V/18W - czyli obciażenie rezystancyjne, pobierajace przy nominalnym napięciu zasilania (U2=6V) prąd I2=3A.

Bezpośrednio do zasilania podłączyć jej nie możesz bo zaświeci mocno i efektownie, ale za to krótko i jednorazowo. Trzeba zatem obniżyć napięcie z akumulatora. W tym celu pomiędzy zasilanie a obciążenie trzeba włączyć jakiś element regulacyjny na którym odłoży nadmiar napięcia: Ur=U1-U2

W najprostszym przypadku, tzn. przy niezmiennym napięciu zasilania (U1) i stałym obciążeniu (I2) takim elementem regulacyjnym mógłby być zwykły rezystor.
W naszym przykładzie należałoby właczyć w szereg Rr = Ur/I2 = 2Ω na którym odłoży się nadmiarowe 6V.

W praktyce zwykle nie wygląda to tak prosto, tzn. zasilanie U1 nie jest stabilizowane (patrz wspomniany akumulator) a obciążenie pobiera prąd (I2) zależny od warunków pracy. Np. moc pobierana silnik zależy od mechanicznego obciążenia na wale. Dlatego w roli regulatora musi wystąpić jakiś element aktywny (np. tranzystor) sterowany w taki sposób, aby utrzymywać stałe napięcie na wyjściu stabilizatora, niezależnie od zmian napięcia wejściowego U1 i prądu obciążenia I2.
Zobacz np.:
http://www.edw.com.pl/ea/stabilizatory.html

Jeżeli przez jakiś element płynie prąd i wywołuje na nim jakiś spadek napięcia to siłą rzeczy powoduje to wydzielanie mocy. W stabilizatorze liniowym, prąd I2 płynący przez element regulacyjny jest tym samym prądem, który zasila obciążenie. W naszym przykładzie obniżamy napięcie do połowy (12V -> 6V) a to oznacza, że tracona moc dzieli się po połowie. Czyli P2=U2*I2=18W wydzielane w żarówce jest okupione podobną mocą Pr=(U1-U2)*I2=18W traconą na ciepło w stabilizatorze. Czyli regulator liniowy, na którym stale odkłada się cały nadmiar napięcia ma z założenia małą sprawność.

Alternatywą będzie stabilizator impulsowy.
_Chwilowa_ moc Pr tracona w regulatorze jest iloczynem _chwilowej_ wartości prądu I2 i _chwilowej_ wartości spadku napięcia Ur. Trick pozwalający na ograniczenie strat mocy polega na potraktowaniu elementu regulacyjnego jako klucza pracującego na przemian w dwóch stanach:
- wyłączonym, gdy nie płynie przez niego prąd (I2≈0), ale za to odkłada się na nim całe napięcie U1.
- włączonym, gdy płynie przez niego prąd obciążenia, ale za to spadek napięcia na kluczu jest bliski zeru (Ur≈0).

W ten sposób w iloczynie Pr=Ur*I2 jeden czynników jest zawsze bliski zeru a moc tracona w regulatorze impulsowym stanowi niewielki ułamek mocy jaka wydzielałaby się w stabilizatorze liniowym.

Z punktu widzenia obciążenia:
Przy wyłączonym kluczu nie jest zasilane wcale (U2=0), a przy kluczu załączonym dostaje pełne napięcie zasilania U2=U1. Zmieniając odpowiednio współczynnik wypełnienia przebiegu sterującego kluczem (k=0...100%) możemy regulować _średnią_ moc wydzielaną w obciążeniu. Stąd, też bierze się powszechnie stosowany skrót PWM (Pulse Width Modulation)
Średnia wartość przebiegu prostokątnego wynosi
U2_avg= k_U1,
ale nas bardziej interesuje napięcie skuteczne wynoszące
U2_rms = sqrt(k) * U1
( http://pl.wikipedia.org/wiki/Napi%C4%99cie_skuteczne)

W naszym przykładzie skuteczną wartość napięcia zasilającego żarówkę
U2_rms = 6V
uzyskamy przy wspólczynniku wypełnienia
k=25%

Licząc jeszcze raz na palcach:
- przez 1/4 czasu żarówka będzie zasilana napięciem U2=U1=12V i z chwilową mocą traconą P2=72W,
- przez pozostałe 3/4 każdego okresu żarówka będzie stygła (P2=0),
- średnia moc tracona w żarówce wyniesie P2 = 0.25*72W = 18W czyli zgodnie z oczekiwaniami.

Teoretycznie straty mocy w samym regulatorze sa równe zeru. W praktyce na załączonym kluczu wystepuje jednak jakiś spadek napięcia (U_CEsat =0.25...1V w tranzystorze bipolarnym, R_ds_on=kilka mΩ..kilka Ω w tranzystorze MOS). Do tego sam proces przełączania, gdy zarówno chwilowe I2 jak i Ur są znaczące, zajmuje trochę czasu (kilkadziesiąt ns ... kilkadziesiąt µs) co powoduje dodatkowe grzanie klucza.
Niemniej sprawność regulatora impulsowego jest zazwyczaj znacznie większa niż liniowego (np. >90%).

A co na to obciążenie?
Jeżeli obciążeniem będzie np. grzałka, żarówka, lub komutatorowy silnik DC to taki sposób sterowania będzie im jak najbardziej odpowiadał. ( Oczywiście w rozsądnych granicach. Kombinacji U1=1kV i k=36e-6 żadna normalna 6V żarówka nie wytrzyma )
Jeżeli tylko dobierzemy wystarczająco krótki okres kluczowania PWM to bezwładność cieplna włókna lub mechaniczna bezwładność wirnika w silniku uśrednią nieciągłe zasilanie i uzyskamy jednostajne świecenie włokna i płynny ruch wirnika.

W przypadku silnika (czyli obciążenia o charakterze indukcyjnym) w układzie powinna pojawić się jeszcze dodatkowa dioda właczona równolegle do silnika, normalnie spolaryzowana zaporowo ale zapewniajaca ciągłość przepływu prądu przez indukcyjność uzwojenia w czasie gdy klucz pozostaje wyłączony.

Bezpośrednio przebiegiem prostokątnym nie da się jednak zasilać urządzeń wymagających _stałego_ napięcia. Np. wszelakiej elektroniki. W takim przypadku pozostaje idea kluczowania prądu jednak w układzie pojawiają się dodatkowe elementy L i C magazynujące nadmiar energii w czasie załączenia klucza i oddające ją do obciążenia w czasie wyłączenia. Ale to już temat na osobną bajkę (zerknij do ostatniego linku poniżej)

Osobnym i znacznie szerszym zagadnieniem jest sterowanie silników prądu zmiennego. Zwłaszcza "wysokomocowych". Co nieco na ten temat możesz poczytać w opracowaniu
"O falownikach prosto i zrozumiale"
http://ise.pl/info/index.php?pid=93
Choć w artykule nie napisano tego wprost, to przebiegi sinusoidalne wytwarzane przez falownik również powstają w wyniku uśredniania PWM, Tzn. tranzystory są sterowane przebiegiem PWM o częstotliwości kilkudziesięciu kHz i zmiennym wypełnieniu odpowiadającym pożądanej chwilowej wartości wyjściowej sinusoidy.

Jeżeli jesteś zainteresowanych budową i sterowaniem róznych rodzajów silników (ale raczej małej mocy - tzn. takich spotykanych w sprzęcie elektronicznym a nie w kombajnie kopalnianym ) to polecam książkę Jacka Przepiórkowskiego:
http://www.btc.pl/?id_prod=10669

Zobacz też.:
http://www.cpemma.co.uk/pwm.html

Introduction to Pulse Width Modulation
http://www.netrino.com/Publications/Glossary/PWM.php

Dwie pierwsze przetwornice opisane na stronie:
http://schmidt-walter.fbe.fh-darmstadt. ... mps_e.html

--
MDz

[pk_82]

Chodzi mi o takie ogólne rzeczy jak sterowanie silnikami dużej mocy za pomocą przekaźników, czy przełączników on/off, za pomocą PWM. A o stratach cieplnych to np. mamy układ ze stabilizatorem, napięcie jest 9V, na procesorze 5V, natężenie 0.5A. Jak wyliczyć temperaturę stabilizatora, procesora, rezystancję termiczną. O takie rzeczy mi chodzi, ogólnie. Smile

[MDz]

Zadajesz dosyć nieprecyzyjne pytania skutkiem czego trudno się wstrzelić z odpowiedzią w Twoje oczekiwania.

Chodzi mi o takie ogólne rzeczy jak sterowanie silnikami dużej mocy za pomocą przekaźników, czy przełączników on/off, za pomocą PWM

Poszukaj haseł takich jak:

- przełącznik gwiazda-trójkąt, np:
http://www.elektroda.pl/rtvforum/topic404799.html
http://www.falowniki.com/index.php?func ... 13&pol=exe

- przełącznik nawrotny, np.:
http://www.elektroda.pl/rtvforum/topic438496.html

- link do podstawowego artykułu na temat falowników dostałeś wyżej

- Coś ciekawego możesz znaleźć również tutaj:
http://elektro.w.interia.pl/energoel/index.html

A o stratach cieplnych to np. mamy układ ze stabilizatorem, napięcie jest 9V, na procesorze 5V, natężenie 0.5A. Jak wyliczyć temperaturę stabilizatora, procesora, rezystancję termiczną. O takie rzeczy mi chodzi, ogólnie.

Wydzielaną moc wyznaczysz bez trudu.
Następnie musisz policzyć rezystancję termiczną i obliczyć o ile (przy danym strumieniu wytwarzanego ciepła) rezystancja struktury będzie wyższa od temperatury otoczenia i czy nie przekroczysz warunków bezpiecznej pracy układu. W katalogach półprzewodników podaje się max. dopuszczalną temp. struktury (t_j).
Pamiętaj tylko, że w miarę zbliżania się do temp. granicznych niezawodność urządzenia leci na łeb.

Rezystancje termiczne standardowych obudów układów scalonych znajdziesz w katalogach.
Zwykle podaje się jedną lub dwie wartości:
R_th_j_amb - pomiędzy strukturą (junction) a otoczeniem (ambient) - tzn. z obudową bez radiatora umieszoną w wolnej przestrzeni, ale bez wymuszonego przepływu powietrza - chyba, że jawnie podano inne warunki)

R_th_j_case - pomiędzy strukturą (junction) a obudową (case)
- z tej wartości korzystasz wyznaczając sumaryczną rezystancję termiczną całego zestawu układ scalony + przekładka + radiator.

Rezystancje termiczne standardowych radiatorów w standardowych warunkach również znajdziesz w katalogach. Do tego dochodzi jeszcze rezystancje styku obudowa-radiator (sucha lub smarowana) i ew. podkładki izolacyjnej.

P.Górecki napisał kiedyś świetny artykuł na temat radiatorów. Zajrzyj do archiwum EP. (EP03/94... EP06/94)
http://www.ep.com.pl/?strona=archiwum.php&r=1994

--
MDz