Sähkötekniikka ja elektroniikka - MyCourses · PDF fileKonkan mitoitus Aaltoilun sallittu korkeus ... XXX X C ¯ 7805 i ¯ o low

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


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


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.


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!


Hakkuriteholähde esim. autossa

+��

��

��12 V

SMPS

Esim.+100 V

0 V

−100 V


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!


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)


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


Page 11 (26)

SiltatasasuuntaajaKuten ed. sivu. Bridge Rectifier

��

��

@@��

��

@@��

-

��

uC = |uA|?

uA

?

RL

@@@@@

@@@@@

��BBPP

��

��BB

-

PP


Page 12 (26)

Kokoaaltotasasuuntaaja, vrt. ed. sivu!

Suodatuskondensaattori C; ks. seur. sivu!

��-

Diodin virta��

��

Kuormavirta

� -��Diodin virta��

��

@ -

��@-

uA

?

uA

?

C

�

�

uC

?

RL


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


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


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


Page 16 (26)

Positiivinen ja negatiivinen jänniteMuuntajassa kaksi toisiokäämiä

�@ �@

7915 −

��

uA

?

uA

?

+

+

C

C

� �� rrrr r r

+

�@ �@

7815

0��

"""

bbb

+−

+

−

0


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!


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


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


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

?

�@


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

�@


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


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


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


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!


Page 26 (26)

Documents

Sähkötekniikka ja elektroniikka - MyCourses · PDF fileKonkan mitoitus Aaltoilun sallittu korkeus ... XXX X C ¯ 7805 i ¯ o low