sähkötekniikka ja elektroniikka - mycourses · pdf filekonkan mitoitus aaltoilun...
TRANSCRIPT
Sähkötekniikka ja elektroniikka
Kimmo Silvonen (X)
23.11.2015
Kokeet, harjoitustehtävät, palaute
Ï 2. välikoe ja tentti ma 7.12. klo 10.15-13, S1Ï Valitset kokeen aikana, suoritatko tentinÏ Ilmoittaudu joka tapauksessa välikokeeseen!Ï Ei välikoekohtaista minimipistemäärääÏ Kokeisiin tulee yksi laskuharjoitustehtäväÏ Kokeita ratkaisuineen Mycossa (S-55.1100)Ï http://kimmos.net (users.aalto.fi/ksilvone)Ï Palautejärjestelmä aukeaa; vk-lisäpiste vastaajille!
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C421023.11.2015Page 2 (26)
Teholähteet eli poverit Power SupplyLuento 24.11.2014
Ï Jaottelu, konvertteritÏ Sovelluksia ja taustaaÏ Energiankeräimet Energy HarvestingÏ Tasasuuntaus ja suodatusÏ Lineaarinen regulaattoriÏ Hakkuriteholähde,Ï SMPS, Switched-Mode Power SupplyÏ Lämpöresistanssi ja jäähdytysÏ Lisätietoja: Elektroniikka ja puolijohdekomponentit
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C421023.11.2015Page 3 (26)
Power Converter ClassificationJaottelu
Ï AC–to–DC (’verkkolaite’, tasasuuntaaja)Ï Lineaarinen: muuntaja, tasasuuntaus, suodatus, regulointiÏ Hakkuri: tasasuuntaus, suodatus, kytkin (regulointi), muuntaja,
suodatusÏ DC–to–DC (UIN 6=UOUT)
Ï Regulaattori: +→+, UIN >UOUTÏ Hakkuri, edut: η, +→±, |UIN| >=< |UOUT|
Ï AC–to–AC (fin 6= fout, taajuusmuunnin)Ï Esim. moottorien ohjaus
Ï DC–to–AC (invertteri = vaihtosuuntaaja)Ï Esim. polttomoottorigeneraattoreissa
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C421023.11.2015Page 4 (26)
Käyttöjännite rajoittaa signaaliaOnko tarvetta suurentaa jännitettä, jotta signaalin amplitudi voi olla suurempi?
E
�����AAAAAAA����������AAAAAAAAAA�� t-
Superkondensaattori korvaa akkua, jopa 5000 F (2,5 V).Iso kW/kg, ei pärjää kapasiteetissa: 1 . . . 40 Wh/kg (Li-Ion yli 100),20 $/Wh, 50 $/3000 FEristeenä erittäin huokoinen aktiivihiili, jopa 3000 m2/g.
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C421023.11.2015Page 5 (26)
Kaksipuolinen käyttöjänniteOnko tarvetta muodostaa negatiivinen käyttöjännite?
Signaali voi vaihdella nollan molemmin puolin.
E/2
rVDD
GND
VSS
E/2
AAAAAA����������AAAAAAAAAA��
t-
Labrat ±15 V, tietokoneen emolevy ±12 V, ym. Monissajännitelähteissä "hämäys-GND" ei ole jännitteellinen!
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C421023.11.2015Page 6 (26)
Hakkuriteholähde esim. autossa
+����
����
����12 V
SMPS
Esim.+100 V
0 V
−100 V
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C421023.11.2015Page 7 (26)
Tietokoneen teholähde eli poveri, 5 eri tasajännitettä
Lisäksi tasajännitettä pitää pienentää energiatehokkaasti (12 V → 1,5 V)!Puhekielen virtalähde tai teholähde on (piiriteorian) jännitelähde!
����+
−230 V50 Hz
Lämpö
ATX
→+1,5 V+12 V+5 V
+3,3 V0 V
(−5 V)−12 V
USB 2 -liitäntä (out): 5 V, 500 mAUSB 3: 5 V, 900 mA, usein saa enemmänkin virtaa!
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C421023.11.2015Page 8 (26)
1155-jalkainen lämmitin a millipede as a heaterCooler and a microprocessor (in scale)
Tuuletin ja kuumenevaprosessori i5-2500K.Välissä hyvin lämpöäjohtavaa ainetta.
37,5 x 37,5 mm2
12 V → alle 1,52 V112 A (MAX)95 W (MAX)72,6◦ (MAX)
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C421023.11.2015Page 9 (26)
Energian ’kerääminen’EH, Energy Harvesting (ks. esim. Wikipedia)
Pienitehoisille laitteille ei tarvita ydin- tai vesivoimaa eikä edes tuuli-tai aurinkoenergiaa. Pienenergian lähteitä:
Ï lämpö(tilaerot) (pyrosähköinen ilmiö)Ï virtaus (ilma, neste)Ï liike ja tärinä (rannekello, pietsosähköinen ilmiö)Ï kemialliset prosessit (puu, verensokeri)Ï valo, ääniÏ sähkömagneettinen kohina
Esimerkiksi MEMS-sensorista kondensaattoriin hiljalleen varattu energiavoidaan hyödyntää hyvällä hyötysuhteella. Elektroniikkaa tarvitaan mm.jännitteensäätöön sekä varaus- että purkausvaiheessa (mikropiirejä).
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C421023.11.2015
Page 10 (26)
Puoliaalto- ja kokoaaltotasasuuntausTuottaa pulssimaista tasajännitettä Rectifier
������ ������ ����
uB = uA+|uA|2
?
uA
?
�@
RL
��������yrittää olla siniaaltoa ;-)
������ ������ ��uA
?
uC = |uA|?
���������@
�@
�@
�@
RL
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C421023.11.2015
Page 11 (26)
SiltatasasuuntaajaKuten ed. sivu. Bridge Rectifier
���� �������������� ����
�����
@@����
�����
@@��
-
��������
uC = |uA|?
uA
?
RL
@@@@@
@@@@@
��BBPP
��
��BB
-
PP
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C421023.11.2015
Page 12 (26)
Kokoaaltotasasuuntaaja, vrt. ed. sivu!
Suodatuskondensaattori C; ks. seur. sivu!
��-
Diodin virta��
����������
Kuormavirta
� -��Diodin virta���������
�������� �
@ -
���@-
uA
?
uA
?
C
�
�
uC
?
RL
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C421023.11.2015
Page 13 (26)
Konkan mitoitusAaltoilun sallittu korkeus ∆u valitaan itse
Laskukauden aikana (0. . .∆t) diodit ovat estosuunnassa
�@
�@
CiC?0
�I-
u
?
kuorma
−I = iC =Cdudt
=C−∆u∆t
⇒ ∆u= IC∆t≈ I
CT2
∆t≈ T2
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C421023.11.2015
Page 14 (26)
Suodatus ja rippeli Filtering, RippleSuodatettukin jännite aaltoilee (kuormavirta I, keskiarvo UAVE)
t
iC
-
6
−I
-
6
t
T2
uC
uC
∆t
∆u
q qq qq q
qqqq
qqqq
q qq qq q
qqqq
qqqq
q qq qq qr r r r r
|uA|
r r r r r r r rr r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r rUAVE
LLLL
LLLL
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C421023.11.2015
Page 15 (26)
Lineaariset teholähteet, regulaattoriJännitteen vakavointi, suositeltava sovelluskytkentä! U =UEFF
6?∆u
230 V Uu=p
2U
����+
−������ ������ ��
�@
�@
�@
�@
�XXXX
C+
7805+i o
c
� �low dropout, LDO?
?
r0,33µ 0,33µ
?
= 5VUOUTUC
IQ?
IOUT- b
bIQ ≤ 5 mA UC ≥UOUT +2 V
η≈ UOUTIOUT
UCIOUTUCMIN ≈ u−2UD −∆u
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C421023.11.2015
Page 16 (26)
Positiivinen ja negatiivinen jänniteMuuntajassa kaksi toisiokäämiä
�@ �@
7915 −
��������������������
uA
?
uA
?
+
+
C
C
� �� �rrrr r r
+
�@ �@
7815
0�� ��
"""
bbb
+−
+
−
0
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C421023.11.2015
Page 17 (26)
HakkuriteholähdeSwitched-ModePower Supply(SMPS).1970-luvulla saatettiin luulla, et-tä kela käy elektroniikassa tar-peettomaksi (samaa ontoivottu opiskelijapalutteessa).Niin ei ole käynyt!
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C421023.11.2015
Page 18 (26)
PulssisuhdeDuty Ratio, Duty Cycle D
IC ohjaa kytkintä:
D= tON
Tf = 1
T= 1
tON + tOFF
Jatkuva toiminta Epäjatkuva toiminta
6iL
t-
��AA��AA��AA
����CCCC ����CCCC ����CCCC
tI Idle
tON tOFF T
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C421023.11.2015
Page 19 (26)
Step-Down (Buck), DC-to-DC ConverterKytkin + diodi = vaihtokytkin; alakuvassa kaksi eri "puolijaksoa" tOFF =T− tON:
UIN
?
off
on��b b ������
L�6jC UOUT
?
�@
0 -��b b
0. . . tON
UIN
?
UON-������L
- -
C6
0
��b btON . . .T 6
C
UOFF-������L
- -
�@
UIN >UOUT = tON
T·UIN
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C421023.11.2015
Page 20 (26)
Boost (Step-Up)Jännitettä suurentava rakenne
Kaikissa hakkuriteholähteissä mikropiiri mittaa lähtöjännitettä jamuuttaa tarvittaessa kytkimen pulssisuhdetta.
tOFF =T− tON
UIN <UOUT = TtOFF
·UIN
UIN
?���rr
������L �6�
C UOUT
?
�@
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C421023.11.2015
Page 21 (26)
Buck-Boost (Step–Up-Step–Down)Jännitteen kääntävä rakenne
Esim. autossa akun positiivisen jännitteen lisäksi runkoon nähdennegatiivinen jännite.
UOUT = tON
tOFF·UIN
UIN
?
��b b������
L
� -
C6
UOUT
�@
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C421023.11.2015
Page 22 (26)
Virran ja jännitteen aaltoilun korkeusvrt. laskuharjoitustehtävä 102
Kela: käämivuo säilyy: ∆ψ=U∆t=L∆i
i6
tON T t-
����@@�tOFF
∆i ������L
U =UON/OFF-
∆t= tON/OFF
i-
u=Ldidt
=L∆i∆t
∆i= UONtON
L=−UOFFtOFF
L
Kondensaattori: varaus säilyy: ∆Q= I∆t=C∆u
∆u= 1C∆Q= 1
C
∫i dt
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C421023.11.2015
Page 23 (26)
Jäähdytys, lämpöresistanssi θ CoolingTransistori (TO-3) ruuvattuna jäähdytysripaan
Junction, Case, Sink, Ambient
AAA
����
ripa -
θJC θCS
��*��*��*
TA
PθSA
TS
P≈UCE · IC
Virtapiirianalogia, T on lämpötila
U = R · I∆T = θ ·Pθ = RTH
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C421023.11.2015
Page 24 (26)
Virtapiirianalogia Analogy to Electric CircuitsLämpötila vastaa jännitettä, lämpöteho virtaa
����P6
TA
0◦
TA Ambient
TS Sink
TC Case
TJ Junction
TJ −TC = θJCP
?
θJC
θCS
θSA
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C421023.11.2015
Page 25 (26)
Lämpöresistanssi Thermal ResistanceMontako astetta rakenneosa lämpenee tietyllä teholla esim. TO-3 kotelossa?
Power Derating Curve6
-
@@@@@@
P
TC
PMAX
25◦ TJMAX
θJC = TJMAX −25◦
PMAX
TO-3: θJC ≈ 2 ◦C/W θJA ≈ 35 ◦C/W
Tervetuloa biolaiset ja muut ensi vuonna Sähköpajaan!That does it, kuten itse Cartman totesi!
Kimmo Silvonen, Sähkötekniikka ja elektroniikka ELEC-C421023.11.2015
Page 26 (26)