Elektronikk 2, Kompendium del 3. Strømforsyninger

1
ELEKTRONIKK 2
Kompendium del 3
Strømforsyning
v. 13.2.2006
Petter Brækken

2
Innholdsfortegnelse
ELEKTRONIKK 2..................................................................................................................... 1
Kompendium del 3..................................................................................................................... 1
Strømforsyning 2006 Petter Brækken.................................................................................... 1
Lineære strømforsyninger .......................................................................................................... 1
Likerettere .............................................................................................................................. 1
Oppgave 1 .......................................................................................................................... 2
Spenninger i likeretteren .................................................................................................... 3
Strømmen i likeretterdiodene............................................................................................. 4
Om nettransformatoren ...................................................................................................... 6
Beregning av strømmen i transformatorens sekundærviklinger ........................................ 8
Glattekondensatoren........................................................................................................... 9
Transformatorberegning for strømforsyning for 2x60W forsterker................................. 12
Lineære spenningsregulatorer .............................................................................................. 13
Regulatorkoblinger........................................................................................................... 13
Strømforsterker og kortslutningssikring........................................................................... 15
Beregningseksempler ....................................................................................................... 16
Treterminalregulatorer ..................................................................................................... 20

1
Lineære strømforsyninger
Begrepet ”lineære” er her brukt for å skille dem fra svitsjede strømforsyninger (Switch Mode
Power Supplies, SMPS).
Likerettere

2
Oppgave 1
Gjør oppgaven sammen med sidemannen.
a)
Skriv på navn på koplingen. Skissér utspenningens utseende for en sinusformet innspenning
b)
Skisser utspenningen dersom en ganske stor kondensator koples parallellt med
lastmotstanden.
t
t
t

3
Spenninger i likeretteren
Beregning av likespenningen
U DC ≈ Û s = √2⋅U S der U S er sekundærvekselspenningens effektivverdi.
(Husk å ta med i beregning at spenningen avhengig av transformatorkonstruksjon varierer 5-
20% mellom tomgang og full belastning)
Beregning av rippelspenningen
Enkel likeretting (halvbølge) og glatting med kondensator:
1
I
L
⋅
∆Q IL
⋅T f
U
r
= ≈ =
C C C
U
r
=
IL
f ⋅C
Dobbel likeretting og glatting med kondensator:
Utladingstida for kondensatoren blir nå ca T/2=1/2f
IL
U
r
=
2 ⋅ f ⋅ C
Her kan en eventuelt sette inn at I L =U S /R L og får da
U
S
U = r
2 ⋅ f ⋅ R ⋅ C
L

4
Strømmen i likeretterdiodene
Spenninger og strømmer for en halvbølgelikerettter (enkellikeretter)
For en helbølgelikeretter blir forholdene helt tilsvarende, men kondensatoren får en
ladestrømpuls for hver halvperiode (hver 10 ms).
I p
∆T
Det kan være interessant å forsøke å
beregne strømpulsamplituden I p . I de
fleste tilfeller er rippelspenningen
liten og det kan være en brukbar
tilnærmelse å anta konstant laststrøm
og svært korte, rektangulære
strømpulser i diodene. Sett over en
ladeperiode på 10ms må
kondensatoren motta like mye ladning
som den avgir til lasten (like arealer i
figuren) og vi får tilnærmet:
I
p
I
L
T
∆T
I L
Strømpuls ved påslag
I
P
2V
P
= IL(1+
2 π )
V
r

5
Dersom strømforsyningen slås på når vekselspenningen er maksimum, fungerer
glattekondensatoren nærmest som en kortslutning til jord og oppstartladestrømmen i dioden
blir stort sett begrenset av transformatorens og diodenes indre resistans. Denne strømmen kan
derfor bli mange ganger så stor som de stasjonære ladestrømpulsene, noe som likevel normalt
går bra, siden dette blir et engangsforløp ved påslaget.
Likeretterdiodene må tåle de nødvendige strømamplitudene. Produsenter av likerettere for
strømforsyninger sørger vanligvis for at dioder og likeretterbruer beregnet til
strømforsyninger har slike data, men - være obs på at problemet er der.
Eksempel på data for likeretterdiode:
For bruk i brolikeretterkoblinger, kan en kjøpe ferdige likeretterbroer
Eksempel fra ELFA-katalogen
2006
Gränsvärden Typvärden
V I(RMS) V RRM I AV I FSM V F vid I F Pris per stk, NOK ex. MVA
Typ V V A A V A 1- 50- 100-
SB256 420 600 25 300 1,1 12,5 27.10 20.90 11.90

6
Strømpulsene krever overdimensjonert transformator
Et annet problem med den ekle pulsformede ladestrømmen til glattekondensatorene er at den
også trekkes fra transformatoren der den fører til plagsom varmeutvikling i viklingene. Dette
medfører at transformatoren må overdimensjoneres ut over det som ville være nødvendig hvis
transformatorstrømmene var sinusformet. Ulike kilder angir ulike grader av
overdimensjonering, fra 1,2x til 4x! Dette er jo helt vilt, men skyldes nok de mange
kompliserte og for brukeren oftest ukjente faktorer ved trafokonstruksjonen og likeretterne.
Strømpulsene er et EMC-problem
Pulsstrømmen trekkes via transformatorens primærvikling også fra lysnettet der den ofte fører
til noe ”hakkete” spenningsform. Dette betyr at det på lysnettet brer seg overharmoniske av
50Hz, ofte med merkbare komponenter opp i MHz-området. Dette kalles ofte ”radiostøy”, er
et EMC-problem og er forbudt.
Om nettransformatoren
Transformatoren fyller to oppgaver
1. Den gir galvanisk skille mellom lysnettet og elektronikken. Dette er sikkerhetsmessig
viktig.
2. Den transformerer nettets 230V til passende spenningsnivåer for elektronikken.
Ringkjernetransformator vs. transformator med EI-kjermne
I dag brukes mer og mer ringkjernetransformatorer (toroider)
Fordelen er liten lekkfluks. Dette er nyttig i audioforsterkere, da problemet med magnetisk
induksjon av 50Hz brumspenning i forsterkerelektronikken reduseres.
For et gitt kjernetverrsnitt kan vindingstallet reduseres, noe som gir mindre dimensjoner og
vekt.
En ulempe med færre vindinger er at ringkjernetransformatoren trekker en større
magnetiseringsstrøm ved påslag enn det en EI-kjernetrafo gjør (pass på sikringene).
En annen ulempe kan være at skjermingen mellom primær- og sekundærvikling ofte er
dårligere i ringkjernetrafoer, noe som kan gi mer overføring av støyspenninger.

Viktige data for transformatoren er:
7
• Maksimalt avgitt tilsynelatende effekt VA
• Sekundærspenning(er) V S
• Regulering (spenningsøking fullast-tomgang %)
Vtomgang
−Vfullast
Rgulering = ⋅ 100%
V
Reguleringen kan for typiske transformatorer for mindre strømforsyninger være i området 5-
20%
Ut fra data for spenningsøkingen kan en lage en enkel Theveninekvivalent for
transformatorens sekundærside (nyttig for ingeniører som ønsker å simulere i EWB):
fullast
U S er sekundær tomgangsspennning, R S er theveninresistansen refert
til sekundærsiden. Resistansen vil vanligvis være litt større enn den
DC-resistansen en kan måle på sekundærsiden.
R
S
V
=
tomgang
I
−V
fullast
fullast
En må ofte finlese transformatorspesifikasjonen for å se om nominell sekundær
transformatorspenning er oppgitt ved tomgang eller ved nominell fullast.
Eksempler på ringkjernetransformatorer (Toroid) fra ELFA-katalogen
Alle priser eks. MVANorske kroner etter skråstreken Priser 2003 i 10+ antall
Leveres med monteringsmateriell.
Toroidtrafo 120VA 2×24 V~ (33V DC) 56-124-78
197.00/185.00 Toroidtrafo 200VA 2×24 V~ (33V DC) 56-125-85
249.00/226.00
Toroidtrafo 200VA 2×33 V~ (46V DC) 56-125-93 249.00
Spenningsfall (regulering) 8-10%
Liten lekkfluks
små tap
lite during
Festes med senterskrue, metallskive + gummiskiver

8
Beregning av strømmen i transformatorens sekundærviklinger
Figurene a) til d) til venstre er hentet fra (3)
Figurene viser de ulike likeretterkoblingene og
angir for hver kobling en enkel
omregningsfaktor for utregning av ekvivalent
effektivverdi for trafostrømmen når
laststrømmen er kjent.
Vi kan så beregne transformatorens VA-tall
som
S = VS
⋅ I
RMS tRMS
der V S er spenningen over transformatorens
sekundærvikling

9
Glattekondensatoren
Ekvivalentskjema
R S kalles også ekvivalent serieresistans ESR
Opp- og utladestrømmen I r i kondensatoren gir spenningsfall over ESR. Den gir dessuten en
varmeutvikling i ESR som kan føre til redusert levetid.
Vi trenger å finne rippelstrømmens effektivverdi I r RMS da det er den som oppgis i databladet.
Ved parallellkobling av kondensatorer fordeles rippelstrømmen mellom kondensatorene slik
at totalt kan en ha større rippelstrøm uten å overbelaste kondensatorene.
Eksempler på Al elektrolytter fra ELFA-katalogen
50V 10000µ
4,09 A rippel
33 mΩ ESR
dxl=30x50mm 67-503-68
Pris for 50+ 56.00
(2003-priser NOK)
50V 10000µ 3,86 A rippel
40 mΩ ESR
dxl=35×35mm 67-544-28
Pris for 25+ 54.30

Forsøk på beregning av effektivverdien til kondensatorens rippelstrøm.
10
Figuren viser et forenklet antatt tidsforløp for opp- og utladestrømmen til
glattekondensatoren.
I en helbølgelikeretter lades kondensatoren i korte pulser med amplitude Î r og varighet ∆t for
hver T = 10 ms, mens det hele tiden går en utladestrøm I L fra kondensatoren til belastningen.
Effektivverdien (RMS-verdien) av denne rippelstrømmen kan vi nå regne ut som
T ∆t T
1 2 1 2 2 1 2 2 1 2 2
RMS
=
r
() [
r L
] [
r L
]
r L
T∫ =
T
∫ + ∫ ⋅∆ + ⋅ = ⋅∆ +
T T
0 0
∆t
I I t dt I dt I dt I t I T I t I
Det vanskelige er her å bestemme Î r og ∆t
En simulering i EWB eller Multisim kan gi oss opplysninger om dette, hvis vi kjenner eller
kan anta noe om transformatorens data.

En simulering i EWB eller Multisim kan gi nyttig informasjon.
11
Koblingsskjemaet ser slik ut:
Skjemaet i simuleringen kan f.eks. se ut som nedenfor. Transformatoren modelleres som to
50Hz spenningskilder, hver med en indre resistans på 0,5 ohm. Resistansen velges slik at den
gir ca. det oppgitte spenningsfall fra tomgang til fullast. Kjenner vi ikke dette, kan vi
eventuelt måle viklingenes DC-resistans med et nøyaktig ohmmeter eller ei målebru.
(0.5 ohm er sannsynligvis en urealistisk lav verdi, 1,5Ω -2Ω er mer sannsynlig for en
transformator med ca 2,5V spenningsfall ved 1,4A RMS strømtrekk.)

12
Fra simuleringen kan vi kontrollere bl.a. rippelspenningen og sjekke strømamplituden Î og
strømpulsens lengde
Transformatorberegning for strømforsyning for 2x60W forsterker
Beregning for 1 kanal
2
VCC
VCC
PCC = = V
MAX CC
⋅Iop → I
avg op
=
avg
πR
πR
2
VCC
EE
=
CC
= →
on
=
op
=
o
π RL
o
avg
MAX MAX avg avg avg
35
1, 4 A
π ⋅8
2 2
t
= 1, 2
op
+
on
= 1, 2 ⋅ 2 ⋅
o
t
rms avg avg avg
rms
L
P P I I I
I
V
πR
CC
= =
L
I I I I
I
VCC
= 1, 2 ⋅ 2 ⋅ = 1, 2 ⋅ 2 ⋅ 1, 4 = 2, 4 A
π R
L
L
Tilsynelatende effekt levert fra transformatorens to sekundærviklinger (2V CC )
blir:
2 2
VCC VCC 21,2 ⋅ ⋅VCC
21,235 ⋅ ⋅
S = 2⋅VS
⋅ I 2 1,2 2 117
rms t
= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ = = = VA
rms
2 πR
πR
π ⋅8
L
Dersom vi ønsker at forsterkeren i lengre perioder skal kunne spille for fullt i
begge kanaler (forekommer svært sjelden), skal transformatoren dimensjoneres
for 2·117 VA = 234 VA
Primærspenning 230V RMS, Sekundærspenning 2x35/√2 = 2x25V RMS
L
234 VA er nesten 2x120 = 2xP L max Håndregel for ELFA-trafoer?
I tillegg må sjekkes:
• Kan ELFA eller andre levere denne trafoen? Pris?
• Hvor store glattekondensatorer trengs, ESR og rippelstrøm? hva koster de?
• Hvilke data skal likeretterdiodene ha?

13
Lineære spenningsregulatorer
Regulatorkoblinger

Strømforsterker og kortslutningssikring
15

Beregningseksempler
16

20
Treterminalregulatorer
+
1.2V
-

78xx-serien treterminal analoge spenningsregulatorer
21
100nF 1 µF

Tillatt effekttap for 78xx regulator
22