Sähkötekniikka ja elektroniikka Kimmo Silvonen (X)
Kokeet, harjoitustehtävät, palaute 2. välikoe ja tentti ma 7.12. klo 10.15-13, S1 Valitset kokeen aikana, suoritatko tentin Ilmoittaudu joka tapauksessa välikokeeseen! Ei välikoekohtaista minimipistemäärää Kokeisiin tulee yksi laskuharjoitustehtävä Kokeita ratkaisuineen Mycossa (S-55.1100) http://kimmos.net (users.aalto.fi/ksilvone) Palautejärjestelmä aukeaa; vk-lisäpiste vastaajille! Page 2 (26)
Teholähteet eli poverit Power Supply Luento 24.11.2014 Jaottelu, konvertterit Sovelluksia ja taustaa Energiankeräimet Energy Harvesting Tasasuuntaus ja suodatus Lineaarinen regulaattori Hakkuriteholähde, SMPS, Switched-Mode Power Supply Lämpöresistanssi ja jäähdytys Lisätietoja: Elektroniikka ja puolijohdekomponentit Page 3 (26)
Power Converter Classification Jaottelu AC to DC ( verkkolaite, tasasuuntaaja) Lineaarinen: muuntaja, tasasuuntaus, suodatus, regulointi Hakkuri: tasasuuntaus, suodatus, kytkin (regulointi), muuntaja, suodatus DC to DC (U IN U OUT ) Regulaattori: + +, UIN > U OUT Hakkuri, edut: η, + ±, UIN >=< U OUT AC to AC (f in f out, taajuusmuunnin) Esim. moottorien ohjaus DC to AC (invertteri = vaihtosuuntaaja) Esim. polttomoottorigeneraattoreissa Page 4 (26)
Käyttöjännite rajoittaa signaalia Onko tarvetta suurentaa jännitettä, jotta signaalin amplitudi voi olla suurempi? E 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 F Eristeenä erittäin huokoinen aktiivihiili, jopa 3000 m 2 /g. Page 5 (26)
Kaksipuolinen käyttöjännite Onko tarvetta muodostaa negatiivinen käyttöjännite? Signaali voi vaihdella nollan molemmin puolin. V DD E/2 GND E/2 V SS t Labrat ±15 V, tietokoneen emolevy ±12 V, ym. Monissa jännitelähteissä "hämäys-gnd" ei ole jännitteellinen! Page 6 (26)
Hakkuriteholähde esim. autossa Esim. +100 V + 12 V SMPS 0 V 100 V Page 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! Lämpö + 230 V 50 Hz ATX +12 V +1,5 V +5 V +3,3 V 0V ( 5 V) 12 V USB 2 -liitäntä (out): 5 V, 500 ma USB 3: 5 V, 900 ma, usein saa enemmänkin virtaa! Page 8 (26)
1155-jalkainen lämmitin a millipede as a heater Cooler and a microprocessor (in scale) Tuuletin ja kuumeneva prosessori i5-2500k. Välissä hyvin lämpöä johtavaa ainetta. 37,5 x 37,5 mm 2 12 V alle 1,52 V 112 A (MAX) 95 W (MAX) 72,6 (MAX) Page 9 (26)
Energian kerääminen EH, Energy Harvesting (ks. esim. Wikipedia) Pienitehoisille laitteille ei tarvita ydin- tai vesivoimaa eikä edes tuulitai aurinkoenergiaa. Pienenergian lähteitä: lämpö(tilaerot) (pyrosähköinen ilmiö) virtaus (ilma, neste) liike ja tärinä (rannekello, pietsosähköinen ilmiö) kemialliset prosessit (puu, verensokeri) valo, ääni sähkömagneettinen kohina Esimerkiksi MEMS-sensorista kondensaattoriin hiljalleen varattu energia voidaan hyödyntää hyvällä hyötysuhteella. Elektroniikkaa tarvitaan mm. jännitteensäätöön sekä varaus- että purkausvaiheessa (mikropiirejä). Page 10 (26)
Puoliaalto- ja kokoaaltotasasuuntaus Tuottaa pulssimaista tasajännitettä Rectifier u A R L u B = u A+ u A 2 yrittää olla siniaaltoa ;-) u A R L u C = u A Page 11 (26)
Siltatasasuuntaaja Kuten ed. sivu. Bridge Rectifier u A R L u C = u A Page 12 (26)
Kokoaaltotasasuuntaaja, vrt. ed. sivu! Suodatuskondensaattori C; ks. seur. sivu! Diodin virta u A R L u C C u A Kuormavirta Diodin virta Page 13 (26)
Konkan mitoitus Aaltoilun sallittu korkeus u valitaan itse Laskukauden aikana (0... t) diodit ovat estosuunnassa 0 C i C I u kuorma I = i C = C du dt = C u t u = I C t I T C 2 t T 2 Page 14 (26)
Suodatus ja rippeli Filtering, Ripple Suodatettukin jännite aaltoilee (kuormavirta I, keskiarvo U AVE ) U AVE û C u C u A T t 2 i C u t I t Page 15 (26)
Lineaariset teholähteet, regulaattori Jännitteen vakavointi, suositeltava sovelluskytkentä! U = U EFF 230 V U + u û = 2U i C + U C low dropout, LDO? + 7805 c o 0,33µ 0,33µ I Q I OUT U OUT = 5V I Q 5 ma η U OUTI OUT U C I OUT U C U OUT + 2 V U CMIN û 2U D u Page 16 (26)
Positiivinen ja negatiivinen jännite Muuntajassa kaksi toisiokäämiä u A u A + + C + C 0 + 7815 + 0 7915 Page 17 (26)
Hakkuriteholähde Switched-Mode Power Supply (SMPS). 1970-luvulla saatettiin luulla, että kela käy elektroniikassa tarpeettomaksi (samaa on toivottu opiskelijapalutteessa). Niin ei ole käynyt! Page 18 (26)
Pulssisuhde Duty Ratio, Duty Cycle D IC ohjaa kytkintä: D = t ON T Jatkuva toiminta f = 1 T = 1 t ON + t OFF Epäjatkuva toiminta i L t I Idle t t ON t OFF T Page 19 (26)
Step-Down (Buck), DC-to-DC Converter Kytkin + diodi = vaihtokytkin; alakuvassa kaksi eri "puolijaksoa" t OFF = T t ON : 0 0...t ON U IN U IN off on U ON L C L C U OUT U OFF t ON...T L 0 C U IN > U OUT = t ON T U IN Page 20 (26)
Boost (Step-Up) Jännitettä suurentava rakenne Kaikissa hakkuriteholähteissä mikropiiri mittaa lähtöjännitettä ja muuttaa tarvittaessa kytkimen pulssisuhdetta. t OFF = T t ON U IN < U OUT = T t OFF U IN U IN L C U OUT Page 21 (26)
Buck-Boost (Step Up-Step Down) Jännitteen kääntävä rakenne Esim. autossa akun positiivisen jännitteen lisäksi runkoon nähden negatiivinen jännite. U OUT = t ON t OFF U IN U IN L C U OUT Page 22 (26)
Virran ja jännitteen aaltoilun korkeus vrt. laskuharjoitustehtävä 102 Kela: käämivuo säilyy: ψ = U t = L i t = t ON/OFF i U = U ON/OFF t i OFF L i t ON T t u = L di dt = L i t i = U ONt ON L Kondensaattori: varaus säilyy: Q = I t = C u u = 1 C Q = 1 i dt C = U OFFt OFF L Page 23 (26)
Jäähdytys, lämpöresistanssi θ Cooling Transistori (TO-3) ruuvattuna jäähdytysripaan Junction, Case, Sink, Ambient ripa θ JC θ CS θ SA T A P T S P U CE I C Virtapiirianalogia, T on lämpötila U = R I T = θ P θ = R TH Page 24 (26)
Virtapiirianalogia Analogy to Electric Circuits Lämpötila vastaa jännitettä, lämpöteho virtaa T J Junction θ JC T J T C = θ JC P T C Case P θ CS T S Sink θ SA T A Ambient T A 0 Page 25 (26)
Lämpöresistanssi Thermal Resistance Montako astetta rakenneosa lämpenee tietyllä teholla esim. TO-3 kotelossa? P Power Derating Curve P MAX T C 25 T JMAX θ JC = T JMAX 25 P MAX TO-3: θ JC 2 C/W θ JA 35 C/W Tervetuloa biolaiset ja muut ensi vuonna Sähköpajaan! That does it, kuten itse Cartman totesi! Page 26 (26)