F12: Passiva komponenter

Transkript

1 F12: Passiva komponntr Kondnsatorr Kap 24 och Induktiva komponntr Kap 26 Om dagns förläsning Passiva komponntr, framförallt kondnsatorr och induktiva komponntr, är viktiga i kraftlktroniska applikationr. Kondnsatorr är hyllvara mn kan bställas nligt gna önskmål (obsrvra dock att dt brukar krävas n minkvantitt vid bställning). Lvranstidn på kondnsatorr är vanligtvis lång räkna md 3-4 månadr mn kan vara mr än 12! Induktiva komponntr är hyllvara ndast för låga ffktr typ krtskortsmontag. Transformatorr för DC-DC-omvandlar (isolrad flyback och forward) är nästan alltid custom dsign. Man bhövr oftast int dsigna själv mn därmot göra (n noggrant spcificrad) bställning och tsta ftr lvrans. Oftast är dtta n itrativ procss som kan ta lång tid ftrsom trmiska aspktr EMC tc måst undrsökas i dn givna applikationn.

2 Kondnsatorr - Några olika typr Elktrolytkondnsatorr Polarisrad Hög kapacitans Låg spänning Mllanld Mtallisrad polypropyln Opolarisrad Lägr kapacitans Högr spänning Snubbr Utgångsfiltr för höga frkvnsr Kondnsatorr - Viktiga matmatiska uttryck Kapacitansn (för n plattkondnsator) gs av A C = ε rε d Ström och laddning gs av (ström är laddning pr tidsnht) dv dt dq dt C C = C och ic = Q = ic dt = i Effktn gs av: dvc dvc dw p = vc ic = vc C = C vc = dt dt dt Vilkt btydr att dn upplagrad nrgin gs av dvc W = p( t) dt = C v dt C 1 dt = CV 2 2 C = 1 QV 2 dvc C dt = C V dt C C

3 Kondnsatorr - Ekvivalnt krts B.W. Williams fig 24.2 Kondnsatorr - ESL ESL viktig för dnna dfinirar gnfrkvnsn för kondnsatorn f o = ω π o 2 = 1 L C S R Stora kondnsatorr (fysiskt) har högr ELS och är alltså sämr kondnsatorr. Välj därför så små kondnsatorr som möjligt.

4 Kondnsatorr - ESR ESR är viktig ftrsom dnna används vid bräkning av förlustr R ESR tanδ ( f ) = R s + 2πfC Förlustfaktorn dfiniras som tanδ = P ESR P Q tanδ = tan ( f ) = R δ dil ESR Ompolarisring av dilktrikat + k f Förlustfaktorn är frkvns och tmpraturbrond Förlustffktn bräknas nligt ( f ) I Rsistivt spänningsfall i tilldar och foli 2 C ( f ) Kondnsatorr - Livslängd Livslängdn ökar: ju lägr omgivningstmpraturn (T a ) är (tmpraturökning md 1-12ºC halvrar livslängdn) ju lägr ripplströmmn (I r ) är ju lägr kvotn mllan drift- och märkspänning (V op /V R ) är ju högr frkvnsn (f) är Obsrvra att dt int är någon katastrof om dilktrikat skadas lokalt. Nästan alla kondnsatorr är självläkand! Om kapacitansn minskat 1% llr ERS dubblats för n lktrolytkondnsator är dnna slut

5 Elktrolytkondnsatorr Oxidskikt på positiva poln utgör dilktrika Elktrolytn kortslutr ngativa poln och oxidskisktt Pappr fördlar lktrolytn B.W. Williams fig 24.6 Plastfilmskondnsatorr B.W. Williams fig 24.14

6 Plastfilmskondnsatorr - Frkvnsgång B.W. Williams fig Kondnsatorr för EMC-filtr B.W. Williams fig 1.47

7 Magntism Omagntisrad Magntisrad N S Extrnt fält Magntisrand fält, H (Magntisk fältstyrka) Elktrisk ström Magntiskt fält Hans Christian Ørstd, 182 Ström i n ldar gr H-fält Amprs lag gr storlkn på H Hds = ΣI H = I 2πr Oändligt lång rak ldar

8 Magntisk flödstätht, B B-fältt är matrialbrond μ kallas prmabilitt, bror på matrialt B = μ H = μ μ H μ I B = 2πr μ = 4π1 7 Vs Wb,, T 2 2 m m μ rlativ prmabilitt, matrialbrond r r Luft: μ r =1 Magntiska matrial: μ r =1-1 Hur uppstår magntiskt flöd? Ström i ldar gr H-fält Domänrna i matrialt kring ldarn vrids, hur myckt bror på μ H-fältt och fältt från domänrna gr B-fältt Störr μ gr alltså högr flödstätht μ N I B = 2πr B 1 < B 2

9 Samband mllan B och H Mättning Förkommr i magntiska matrial Ökning av strömmn gr (nästan) ingn ökning av flödt Kärnan btr sig som luft, μ= μ Mättning Lutning μ Mättning Magntiskt flöd, mmk, rluktans Amprs lag ign ΣI = Hds NI = H l f B NI = l f μ Φ NI = l f μ A l f NI = Φ μ A F = R Φ Magntomotorisk kraft, mmk Rluktans Flöd

10 Magntiskt flöd, mmk, rluktans lktrisk kvivalnt NI l f = Φ μ A jämför md U = R I NI NI = μ μ A l f r f l f μμr A Kärna md luftgap f Φ + f lδ + μ A δ μ A δ δ Φ Φ δ gällr om δ<<l f

11 Induktorr och transformatorr Dtta byggr dlvis på dt som diskutrats i Elnrgitknik och kan i viss mån vara n rptition. B.W. Williams fig 26.1 Magntiska matrial - Egnskapr B.W. Williams fig 26.3

12 Induktiva komponntr - Olika matrial I kursbokn (avsnitt 24.2) finns n ganska trubbig uppdlning av rkommndrad kärnmatrial för olika frkvnsr. rromagntiska matrial: Laminrat stål och järnpulvr md inslag av Kisl (kallas ibland kislstål). rrimagntiska matrial: rritr (vanliga namnt) som är n kram. Anldningn till att uppdlningn kan anss trubbig är att matrialvalt bror på mr än bara frkvnsn, xmplvis kan man int göra särskilt gomtriskt stora järnpulvr- llr frritkärnor. Därför kan man bhöva använda.3 mm laminat vid 3-5 khz (för xmplvis utgångsfiltr) ävn om Williams skrivr att d bara kan användas upp till 2 Hz! Rsultatt är oftast fullgott ändå mn man får naturligtvis hålla nr flödstäthtn för att int få norma förlustr. Olika magntiska matrial - Karaktäristiska data 5? B.W. Williams fig ?

13 rritr - Karaktäristiska data För frritr angs ofta data i form av ffktiva data som motsvarar n kärna utan luftgap. Dtta trots att man säljr kärnor som är prfabricrad för olika luftgap. Innbär att ffktiva data måst finnas för alla matrial kärnan tillvrkas i och för alla luftgap dn spcificras för. rritr - Hur hängr ffktiva och vrkliga paramtrar ihop? Amprs krtslag för magntiska krtsar: Ni = H l + Hδ lδ Sätt in B = μ μr H B Bδ Ni = l + l μ μ μ Sätt in Ψ = 2 Ψ N i = μ μ A l N Φ = Ψ μ μ A L = = i l = H δ NAB Ψ + μ A l B = l μ μ l Ψ = l μ μ A δ δ Antag att A = B = Aδ = A B = Bδ μ μ A 2 2 N 2 N = N = AL + lδ μ l

14 rritr - Hur hängr ffktiva och vrkliga paramtrar ihop? Om man nu sättr så får man l = l 1 μ = 1 + μ l δ l Dt står något i kursbokn om att dtta är n approximation mn dt är dt int alls. Man vill att längdn man ska räkna md ska vara kärnans längd nbart! Sammantagt: A = A och l = l Ψ μ μ A L = = i l μ μ A 2 2 N 2 N = N = AL + lδ μ l Kärnförlustr Laminrad stålkärnor : Stinmtz forml (har tagits upp i Elnrgitknik!) hystrsförlustr P = k v h f 2 2 ( Bˆ ) + k f ( Bˆ ) 2 v Dssa xponntr är fysikaliska tolkningar. I vrklightn avvikr d ofta från 2 när man försökr anpassa mätdata. rritr: anpassning av något som liknar Stinmtz forml P = k v h f ah bh a b ( Bˆ ) + k f ( Bˆ ) Obsrvra att förlustrna är starkt tmpraturbrond hos frritr! virvlströmsförlustr där ah [ ] a [ ] bh [ ] b [ ]

15 Kärnförlustr - Förlustdata B.W. Williams fig 26.8 Kärnförlustr - Luftgapts invrkan på BH-kurvan B.W. Williams fig 26.1

16 Olika kärnor -Gomtrir Finns inga bra bildr i kursbokn!