Elektroniczne Układy i Systemy Zasilania Wykład 2 Politechnika Śląska w Gliwicach Wydział Automatyki, Elektroniki i Informatyki dr inż. Ryszard Siurek

Układy sygnalizacji stanu pracy zasilacza Sygnalizacja optyczna (najczęściej diody LED) - kolor zielony - poprawna praca - kolor czerwony - awaria (zadziałanie zabezpieczeń) - kolor żółty - ostrzeżenie (np. zanik napięcia sieciowego i praca z baterii) Sygnalizacja stykowa (przekaźnik) - styki zwarte - poprawna praca - styki rozwarte - awaria zasilania Sygnał Zaniku Napięcia Zasilania (ang. „Power Fail Signal” lub „PF”) Uwy DU Dt > 1ms DU < 5%Uo t PF Dt „1” „0” t

Sygnał gotowości (ang. Power Good) Uwy DU DU < 5%Uo t „1” PG „0” t

Czas podtrzymania napięcia wyjściowego Uwe t 95% Uo Uwy Uo tp t tp – czas podtrzymania (ang. hold-up time) do kilkudziesięciu ms

Zabezpieczenia zasilaczy Zabezpieczenia przeciążeniowe 1. Stabilizacja prądu obciążenia

3. Zabezpieczenie wyłączające 4. Zabezpieczenie termiczne 2. Ograniczenie prądu Obciążenie rezystancyjne 3. Zabezpieczenie wyłączające 4. Zabezpieczenie termiczne

Zabezpieczenie nadnapięciowe SZ – pętla sprzężenia zwrotnego (do stabilizacji) Uwy stabilizacja Uwymax SZ1 Uo Uwy SZ2 wyłączenie t Przykładowa realizacja UK - układ kontroli napięcia UK Uwy Wył. Uwy ang. crowbar - aktywizuje zabezpieczenie przeciążeniowe wyłączenie zasilacza

Kompensacja spadków napięć na przewodach wyjściowych Is = 0 +S ZASILACZ rs Io DUs Uo U1 Ro Uo rs DUs -S U1 = Uo + 2DUs Stabilizowane jest napięcie pomiędzy zaciskami +S i -S

Współpraca równoległa zasilaczy Zwiększenie prądu obciążenia I1, I2 I1 Zasilacz 1 Uo1 Io zasilacz 1 obciążenie 100% I2 Uo I1max Uo2 Zasilacz 2 I1 I2 Io I1max 2I1max ~ Uo1 = Uo2 I1max = I2max Wymagane zabezpieczenie przeciążeniowe ze stabilizacją prądu Układ z nierównomiernym podziałem prądu obciążenia

Układ z równomiernym podziałem prądu obciążenia CS - ang. current share podział prądu Zasilacz 1 I1 Uo1 CS Io I1, I2 Dodatkowe połączenie Uo I2 I1max CS Uo2 Zasilacz 2 I1 I2 I1max = I2max Io Uo1 > Uo2 (niewielka różnica) I1max 2I1max Zasilacz 1 wymusza zmiany U2 tak, aby prąd I2 był zbliżony do I1 Układ z równomiernym podziałem prądu obciążenia

Zapewnienie redundancji (rezerwacji napięcia) Uwe1 D1 I1 Zasilacz 1 Uo1 Io I2 Io < I1max, I2max Uo Uwe2 Uo2 D2 Zasilacz 2 ~ Uo1 = Uo2 Redundancja 1 + 1 I1max = I2max n Redundancja n + x - „n” modułów koniecznych do zapewnienia prądu obciążenia - „x” modułów może jednocześnie ulec uszkodzeniu

Najważniejsze parametry dotyczące zasilacza od strony napięcia wejściowego Zakres napięcia zasilającego (np. 230V +10%,-15% lub 150V – 260V) Rodzaj napięcia zasilania (jednofazowe, trójfazowe, zmienne, stałe lub jedno i drugie) Częstotliwość napięcia zasilania (np. 40Hz – 60Hz lub 40Hz – 400Hz) maksymalna wartość skutecznej wartości prądu zasilania (dla najgor- szego przypadku) Prąd udarowy (przy załączaniu) – np. 30A (typowo) Iu Iwe Uwe t

Emisja zakłóceń elektromagnetycznych ZASILACZ Pole elektromagnetyczne zakłóceń (pomiar w zakresie od 30 MHz do 1 Ghz) ZASILACZ Przewody zasilające Prądy i napięcia zakłóceń przewodzonych (pomiar w zakresie od 0,15 MHz do 30 MHz)

Zakłócenia radioelektryczne (ang. EMI) Zakłócenia przewodzone - pomiar napięcia zakłóceń na rezystancji 50W w znormaliz- owanym układzie pomiarowym tzw. „sztucznej sieci” - zakres częstotliwości: 150kHz - 30 MHz - jednostka: dBm Zp = 20log [dBm] Zp - poziom zakłóceń przewodzonych Zakłócenia emitowane - pomiar natężenia pola elektromagnetycznego w powietrzu - zakres częstotliwości: 30MHz - 1GHz - jednostka: dBmV/m Ze = 20log [dBmV/m) Ze – poziom zakłóceń emitowanych Poziomy określają normy, np.: PN-EN55022 – Dopuszczalne poziomy i metody pomiaru zaburzeń radioelektrycznych wytwarzanych przez urządzenia informatyczne Uz 1mV Ez 1mV/m

Układ pomiarowy Kabina ekranowana Iz Uwe Sztuczna sieć Zasilacz Ro Ez Analizator widma natężenia pola elektromagnetycznego w paśmie 30MHz – 1GHz Miliwoltomierz selektywny Pomiar w zakresie 0,15 – 30MHZ

Przykładowy protokół z pomiarów

Współczynnik mocy i jego korekcja Uwe, Iwe U I T t f = 1/T f = 2pfDt Dt „moc całkowita” moc pozorna S [VA] = I Z 2 moc bierna Q [var] = I (X - X ) 2 L C f PF = cos f moc czynna P [W] = I R 2 Współczynnik mocy Zależności obowiązujące dla przebiegów sinusoidalnych

moc całkowita S = I2sk U = P Uwe, Iwe I1 I-sza harmoniczna I1(1) U I1(1)sk I1sk t Ks = Współczynnik kształtu Dt (f) moc całkowita (pozorna) S = I1sk U P (moc rzeczywista) Uwe, Iwe S P I1sk I2sk PF = = U t I2 PF = Ks cosf PF < 1 (0,6 – 0,75) moc całkowita S = I2sk U = P

Zniekształcony przebieg prądu powoduje: wzrost mocy pozornej (a więc i prądu pobieranego z sieci energetycznej) wzrost zawartości harmonicznych prądu w przewodach zasilania co prowadzi do odkształceń sinusoidalnego napięcia sieciowego wzrostu prądu płynącego w przewodach zerowych sieci wielofazowych Od 2001 roku obowiązują przepisy ograniczające zawartość harmonicznych w prądzie zasilającym urzadzenia elektryczne i elektroniczne o mocy wyjściowej od 75W – 1000W. Dokument obowiązujący: PN-EN 61000-3-2 Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC) – Dopuszczalne poziomy emisji harmonicznych prądu (fazowy prąd zasilania odbiornika mniej- szy lub równy 16A) W zasilaczach stosuje się układy poprawiające kształt prądu – Aktywna Korekcja Współczynnika Mocy (ang. PFC)

Odporność na zaburzenia zewnętrzne o charakterze elektromagnetycznym Wyładowania elektrostatyczne Wyładowania atmosferyczne Zewnętrzne pola elektromagne-tyczne ZASILACZ Szybkie elektryczne stany przejściowe (ang. BURST) (amplituda do 4 kV)

Scentralizowany system zasilania Systemy zasilania - bezpieczeństwo - funkcjonalność - niezawodność - koszt Centralny blok zasilacza Moduł zasilany nr1 ~ Moduł zasilany nr2 Uz U1 ~ U2 Un Baterie lub akumulatory Moduł zasilany nr k Scentralizowany system zasilania

Wielokrotny scentralizowany system zasilania - bezpieczeństwo - funkcjonalność - niezawodność - koszt Zasilacz 1 Moduł zasilany nr 1 ~ U1 ~ Moduł zasilany nr 2 Moduł zasilany nr 3 Zasilacz 2 U2 Moduł zasilany nr 4 ~ UPS ~ U3 Uz ~ Uz’ Moduł zasilany nr 5 ~ ~ ~ Moduł zasilany nr k Baterie lub akumulatory Zasilacz N ~ ~ Un Moduł zasilany nr k+1 Wielokrotny scentralizowany system zasilania

~ ~ - bezpieczeństwo - funkcjonalność - niezawodność - koszt Przetwornica małej mocy DC-DC - bezpieczeństwo - funkcjonalność - niezawodność - koszt Moduł zasilany 1 Przetwornica małej mocy DC-DC ~ ~ 12V - 24V U1i 220V 50Hz U2i Moduł zasilany „i” Stabilizator impulsowy z dodatkowymi napięciami wyjściowymi 12V - 24V nap. stałe U2n U1n Moduł zasilany „n” U3n Niskonapięciowy zdecentralizowany system zasilania (wysokonapięciowy zdecentralizowany system zasilania)