Laboratorium Podstaw Elektroniki. Badanie przekształtnika obniżającego napięcie. Opracował: dr inż. Rafał Korupczyński

Transkrypt

1 Laboratorium Podstaw Elektroniki Badanie przekształtnika obniżającego napięcie Opracował: dr inż. Rafał Korupczyński Zakład Gospodarki Energetycznej, Katedra Podstaw Inżynierii.Cel ćwiczenia. Celem ćwiczenia jest zapoznanie studentów z zasadą działania i parametrami eksploatacyjnymi przekształtników energoelektronicznych obniżających napięcie. 2.Wstęp teoretyczny. W wielu urządzeniach elektronicznych występuje konieczność zasilania poszczególnych układów napięciami stałymi o różnych wartościach. Stabilizatory liniowe cechują się stosunkowo niewielką sprawnością (dużymi stratami mocy) w przypadku, kiedy wartość napięcia wyjściowego jest znacznie mniejsza od wartości napięcia wejściowego. Istotne zmniejszenie strat mocy można uzyskać poprzez zastosowanie przekształtnika (stabilizatora) impulsowego. Schemat ideowy tego przekształtnika został pokazany na rys.. Rys.. Schemat ideowy przekształtnika obniżającego napięcie. ranzystor Q pracuje jako łącznik, podając napięcie Uwe na indukcyjność L, kondensator C i rezystancję obciążenia R. Kondensator C pełni rolę filtru wygładzającego przebieg napięcia na rezystancji obciążenia R. ranzystor Q jest sterowany napięciem U s o kształcie prostokątnym (rys. 2): wartość minimalna (0 V) powoduje zatkanie tranzystora, a w efekcie brak przepływu prądu kolektor emiter, wartość maksymalna (Um) - przewodzenie tranzystora. Na podstawie rys. 2 można zdefiniować współczynnik szerokości impulsu D: D= t () oraz częstotliwość f napięcia sterującego Us: f= (2)

2 Współczynnik D może przyjmować wartości z zakresu: <0,>. Rys.2. Przebieg napięcia sterującego Us. Zasada działania przekształtnika obniżającego napięcie jest następująca: w stanie ustalonym (kiedy kondensator C posiada już pewien ładunek q), w przedziale czasu 0 < t <t tranzystor przewodzi (rys 3). Napięcie na kolektorze tranzystora równe jest Uwe. Na zaciskach cewki L napięcie wynosi Uwe - Uwy. Zgodnie z prawem Faraday a: u L t = L di L (3) dt t i L t = u L t dt (4) L0 Ponieważ: u L =const=u we U wy (5) to: i L t = U we U wy t I 0 (6) L gdzie I0 początkowa wartość prądu w cewce dla t =0. Prąd w cewce narasta liniowo od chwili t = 0 i osiąga wartość maksymalną dla t = t (rys. 4): I Lmax = U we U wy t I 0 (7) L Rys. 3. Schemat układu przekształtnika dla 0 < t < t.

3 Rys. 4. Przebiegi napięć i prądów w układzie przekształtnika obniżającego napięcie. Prąd kolektora (emitera) tranzystora Q, równy jest prądowi IL (rys. 4). Dioda D jest spolaryzowana zaporowo (dodatnie napięcie wejściowe na katodzie). W chwili czasowej t tranzystor Q zostaje zatkany. ym samym zostaje przerwany przepływ prądu kolektor emiter (rys. 5). Zgodnie z zasadą zachowania energii, energia zgromadzona w cewce indukcyjnej nie może zniknąć, ale musi zostać oddana do obwodu. Napięcie na cewce zmienia znak tak, aby podtrzymać przepływ prądu Il. Potencjał katody Zgodnie z regułą Lentza prąd indukcyjny wzbudzony w przewodniku pod wpływem zmiennego pola magnetycznego, ma zawsze taki kierunek, że wytworzone przez niego wtórne pole magnetyczne przeciwdziała przyczynie (zmianie pierwotnego pola magnetycznego), która go wywołała.

4 diody D jest równy 0 V (napięcie Uwe zostało odłączone) dioda zostaje spolaryzowana w kierunku przewodzenia. Rys. 5. Schemat układu przekształtnika obniżającego napięcie w przedziale czasu t < t <. Wartość napięcia na L wynosi: U L =0 U wy= U wy (8) Zgodnie z prawem Faraday a (3): i L t = U wy t i L t (9) L Prąd cewki IL a tym samym prąd diody D maleje liniowo (rys. 4). Dla t = IL osiąga wartość minimalną: i Lmin= U wy i L t (0) L Energia zgromadzona w cewce jest opisana zależnością: E= L I 2L () 2 Zgodnie z zasadą zachowania energii, w stanie ustalonym, energia zgromadzona w cewce w chwili t=0 jest równa energii zgromadzonej w chwili t =. Zatem dla L = const (rys.3): I L t=0 =I L (2) Korzystając z równania (3) prąd IL: du =di L (3) L L Obie strony równania (3) całkujemy w granicach <0,>: u dt=i L i L 0 =0 (4) L0 L

5 u L dt= 0 u dt=0 (5) 0 L Wartość średnia napięcia na indukcyjności w okresie jest równa zeru. Dla przekształtnika obniżającego: t u L dt u L dt=0 0 (6) t W przedziale czasu <0,t>: UL = Uwe - Uwy, w przedziale czasu <t,>: UL = 0 -Uwy= -Uwy: U we U wy t =U wy t (7) Zatem: U wy= t (8) U we Biorąc pod uwagę () U wy= DU we (9) Wartość napięcia wyjściowego przekształtnika obniżającego jest zawsze mniejsza (lub co najwyżej równa) wartości napięcia wejściowego. Zależność (8) i przebiegi pokazane na rys. 4 charakteryzują działanie układu dla tzw. ciągłego trybu pracy. W tym trybie prąd w indukcyjności L ma wartość zawsze większą od zera. Jeżeli przekształtnik zostanie obciążony stosunkowo dużą rezystancją (R na rys. ), to układ będzie pracował w tzw. trybie nieciągłym. W takim przypadku prąd w cewce L będzie osiągał wartość zerową w pewnym przedziale czasu t2 do (rys. 6). W takim trybie pracy charakterystyka Uwy = f(uwe) nie jest funkcją liniową: U wy= U we 2I L (20) 2wy D U we 3.Opis płytki prototypowej. Przekształtnik obniżający napięcie został zmontowany na uniwersalnej płytce drukowanej. Układ sterowania zbudowano w oparciu o układ scalony SG3524 (rys. 7). Realizuje on poprzez elementy R2 i RV2 pomiar napięcia wyjściowego, dostosowując wartość współczynnika wypełniania impulsu do wartości tego napięcia. ym samym otrzymuje się stabilizację napięcia wyjściowego przy zmianach obciążenia i napięcia zasilającego. Potencjometr RV2 służy do ustawiania wartości napięcia wyjściowego, a potencjometr RV do ustawiania częstotliwości pracy klucza tranzystorowego z tranzystorem Q typu IP 32B. W celu polepszenia warunków chłodzenia tranzystora został on umieszczony na radiatorze. Kondensator C pełni rolę filtru przeciwzakłóceniowego od strony napięcia zasilania Uwe, dioda D zabezpiecza przekształtnik przez uszkodzeniem na skutek zmiany polaryzacji napięcia wejściowego.

6 Rys. 6. Przebiegi napięć i prądów w nieciągłym trybie pracy przekształtnika obniżającego. 4.Przebieg ćwiczenia laboratoryjnego. e)za pomocą multimetru ustawionego na pomiar rezystancji z sygnałem dźwiękowym, zlokalizować na płytce prototypowej punkty pomiarowe P2 P4, P7, P8, oraz zaciski do przyłączenia napięcia wejściowego i wyjściowego P, P9 (rys. 7). f)do zacisków wyjściowych płytki prototypowej dołączyć opornik o zmiennej rezystancji (ustawiony na maksimum rezystancji), oraz woltomierz i amperomierz tak, aby móc wyznaczyć charakterystykę prądowo-napięciową Iwy=f(Uwy) przekształtnika. g)do zacisków wejściowych płytki prototypowej dołączyć zasilacz napięcia stałego. h)po sprawdzeniu układu połączeń przez prowadzącego załączyć zasilacz i ustawić napięcie (o wartości podanej przez prowadzącego).

7 Rys. 7. Schemat ideowy płytki prototypowej. i)obserwując na oscyloskopie przebieg napięcia oscylatora (punkt pomiarowy P4 OSC_OU) ustawić częstotliwość pracy przekształtnika (potencjometr RV) zgodnie ze wskazówkami prowadzącego. Ustawioną wartość zanotować w protokole pomiarów. j)dla stałej wartości rezystancji obciążenia i stałej wartości napięcia wejściowego wykonać pomiary parametrów wejściowych i wyjściowych przekształtnika w funkcji współczynnika szerokości impulsu D. W protokole zanotować wyniki pomiarów: t,, Iwe, Uwy, Iwy. Na oscyloskopie obserwować przebiegi napięcia bazy tranzystora Q (p.p. P7 Ube) oraz przebieg tętnień napięcia wyjściowego (oscyloskop: sprzężenie AC, p.p. P8 Uwy). Dla trzech różnych wartości współczynnika D naszkicować (zarejestrować) obserwowane przebiegi. W protokole pomiarowym odnotować tryb pracy przekształtnika (ciągły, nieciągły). k)dla stałej wartości napięcia wejściowego i stałej wartości napięcia wyjściowego (ustawionej potencjometrem RV2 zgodnie ze wskazówkami prowadzącego) wykonać badanie charakterystyki wyjściowej przekształtnika. Obciążenie układu zmieniać rezystorem regulowanym tak, aby nie przekraczać wartości prądu wejściowego Iwe = A. W protokole zanotować wyniki pomiarów: t,, Iwe, Uwy, Iwy. Na oscyloskopie obserwować przebiegi napięcia bazy tranzystora Q (p.p. P7 Ube) oraz przebieg tętnień napięcia wyjściowego (sprzężenie AC, p.p. P8 Uwy). Dla trzech różnych wartości Iwy naszkicować (zarejestrować) obserwowane przebiegi. W protokole pomiarowym odnotować tryb pracy przekształtnika (ciągły, nieciągły). l)dla stałej wartości rezystancji obciążenia i stałej wartości napięcia wyjściowego wykonać badanie charakterystyki przejściowej (zależności parametrów przekształtnika od wartości napięcia wejściowego Uwe). Wartość napięcia zmieniać w zakresie podanym przez prowadzącego. Nie przekraczać wartości prądu wejściowego I we = A. W protokole zanotować wyniki pomiarów: t,, Uwe, Iwe, Uwy, Iwy. Na oscyloskopie obserwować przebiegi napięcia bazy tranzystora Q (p.p. P7 Ube) oraz przebieg tętnień napięcia wyjściowego (sprzężenie AC, p.p. P8 Uwy). Dla trzech różnych wartości Uwe naszkicować (zarejestrować) obserwowane przebiegi. W protokole pomiarowym odnotować tryb pracy przekształtnika (ciągły, nieciągły).

8 5.Opracowanie wyników. a)narysować charakterystyki badanych parametrów w funkcji współczynnika D (p. 4 lit. f). b)narysować charakterystykę wyjściową przekształtnika, oraz po obliczeniu mocy wejściowej Pwe, wyjściowej Pwy, oraz sprawności charakterystykę sprawności w funkcji prądu Iwy. Narysować charakterystykę D = f(iwy) (p. 4 lit. g). c)narysować charakterystykę przejściową przekształtnika, Narysować charakterystyki Uwy= f(uwe), D = f(uwe) (p. 4 lit. h). d)istotnym elementem sprawozdania są wnioski z przeprowadzonych badań, w szczególności wnioski dotyczące parametrów eksploatacyjnych przekształtnika, np. porównania uzyskanych wyników z wynikami rozważań teoretycznych podanych w p Literatura. a)billings K. H., Switchmode power supply handbook, McGraw-Hill, 989, b)basso Ch., Switch Mode Power Supplies: SPICE Simulations and Practical Designs, McGraw-Hill, 2008, c)kazimierczuk M. K., Pulse-width Modulated DC DC Power Converters, John Wiley & Sons, 2008.