IMPULSOWY PRZEKSZTAŁTNIK ENERGII Z TRANZYSTOREM SZEREGOWYM

Transkrypt

1 Instrukcja do ćwiczenia laboratoryjnego. IMPSOWY PRZEKSZTAŁTNIK ENERGII Z TRANZYSTOREM SZEREGOWYM Przekształtnik impulsowy z tranzystorem szeregowym słuŝy do przetwarzania energii prądu jednokierunkowego na energię prądu stałego o regulowanej średniej wartości napięcia. Jednokierunkowe napięcie wejściowe przekształcane jest na ciąg impulsów prostokątnych o amplitudzie odpowiadającej napięciu zasilania. Regulację napięcia wyjściowego, a zatem i mocy dokonuje się dwoma metodami:. poprzez zmianę czasu trwania impulsów napięciowych przy stałej ich częstotliwości (modulacja szerokości impulsu z ang. Pulse Width Modulation PWM), regulacja współczynnika wypełnienia 2. poprzez zmianę częstości załączeń przy stałym czasie trwania kaŝdego pojedynczego impulsu. Obie metody róŝnią się jedynie sposobem sterowania tranzystora szeregowego będącego przerywaczem obwodu podano na rysunku. Rys.. Schemat przekształtnika impulsowego z tranzystorem szeregowym Głównym elementem w przedstawionym układzie przekazywania energii z indukcyjnym obwodem ładowania jest dowolny tranzystor Tr (bipolarny, MOSFET, IGBT), pełniący unkcję łącznika między źródłem zasilania a odbiornikiem R. Tranzystor szeregowy sterowany jest zawsze dwustanowo. Jest on załączony lub wyłączony. nika się jego stanów pośrednich prowadzących do niepotrzebnych strat mocy w tranzystorze. Pomiędzy tranzystorem a odbiornikiem znajduje się obwód Dł, D, C, gromadzący i uzupełniający przekazywaną energię. W pierwszej azie pracy przekształtnika wyzwolony tranzystor wymusza prąd i ład, który podwyŝsza energię gromadzoną w elementach: indukcyjności dławika Dł i pojemności C. Dławik o indukcyjności ogranicza rosnący prąd tranzystora podczas jego załączenia. Gdy tranzystor przewodzi pojemność C jest ładowana poprzez dławik, w którym gromadzi się energia magnetyczna. W czasie τ on załączonego tranzystora występuje przyrost prądu: γ I on τ on () gdzie:, są napięciami odpowiednio zasilania i wyjściowym, częstością powtarzanych impulsów, γ τ on - współczynnikiem wypełnienia. Po wyłączeniu tranzystora energia zgromadzona w dławiku jest oddawana w obwodzie D, Dł, C, R powodując przepływ prądu i roz. W drugiej azie pracy przekształtnika istotną rolę odgrywa dioda D, przejmująca przepływ ładunków zgromadzonych w obwodzie, C. Gdy tranzystor nie przewodzi zmienia się biegunowość napięcia na dławiku. W tym czasie τ o prąd maleje według:

2 I o γ (2) Ciągłość prądu ładującego i ład oraz rozładowującego i roz pozwala na przekazywanie energii bez przepięć i przy zmniejszonych tętnieniach. Równowaga energetyczna w układzie występuje gdy przyrosty i spadki prądu są sobie równe, czyli a stąd γ. γ γ Metody wyzwalania tranzystora szeregowego Podstawowy cel jakim jest przetworzenie energii z jednego poziomu napięciowoprądowego na inny poziom uzyskuje się dotrzymując zasad wybranej metody sterowania tranzystorem szeregowym. Gdyby moŝna było zastosować dławik o nieskończonej indukcyjności, to prąd wyjściowy nie wykazywałby Ŝadnych wahań. Wówczas prądy tranzystora i diody równałyby się średniej wartości prądu obciąŝenia. W praktycznych układach indukcyjność posiada skończone wartości i na średnią wartość prądu I obciąŝenia nakłada się prąd piłokształtny, którego amplituda zaleŝna jest od indukcyjności dławika i częstości taktowania załączania tranzystora. Maksymalny prąd ciągły moŝe dwa razy większy od prądu średniego I γ I (4) P Po dokonaniu w (4) następujących podstawień: γ, I otrzymuje się zaleŝność określającą minimalną wartość indukcyjności przy której prąd dławika jest ciągły 2 min (5) P min max gdzie P min jest minimalną mocą wyjściową. Przy określonej indukcyjności, wartość szczególna prądu obciąŝenia, przy której chwilowy prąd dławika osiąga wartość zerową, wynosi I lim ( γ) Na rysunku 2 przedstawiono przebiegi prądów dławika w zaleŝności od jego indukcyjności. Prądy te posiadają chwilowe wartości większe od średniego prądu obciąŝenia, a ich amplitudy I Z I Z ( γ) ( ) rosną wraz z malejącą indukcyjnością dławika lub częstością powtarzania impulsów wyzwalających tranzystor. Z zaleŝności tej wynika takŝe sposób moŝliwej regulacji napięcia wyjściowego, która moŝe być prowadzona poprzez zmianę współczynnika wypełnienia γ lub częstości załączeń. γ (3) (6) (7) 2

3 Rys.2. Wpływ indukcyjności na przebiegi prądu dławika. Prąd tranzystora i T - linia ciągła i prąd diody i D - linia przerywana. Składowa zmienna o amplitudzie I Z większej od średniej wartości prądu obciąŝenia I powoduje przerwy w dopływie energii do odbiornika i cały cięŝar wygładzania napięcia spoczywa wówczas na kondensatorze C. Nie bez znaczenia jest wartość impedancji, a zwłaszcza rezystancji odbiornika, gdyŝ w odróŝnieniu od stałych czasowych C, R C, malenie R zwiększa stałą R. Wzrost tej stałej wpływa pozytywnie na tętnienia, które maleją. Regulacja napięcia poprzez zmianę współczynnika wypełnienia Przetwarzanie poprzez zmianę czasu trwania impulsów napięciowych przy stałej ich częstotliwości (modulacja szerokości impulsu PWM) zwana takŝe regulacją poprzez zmianę współczynnika wypełnienia. W tego rodzaju regulacji przekazywania energii napięcie wyjściowe jest proporcjonalne do współczynnika wypełnienia, a tętnienia prądu maleją, co pokazano na rysunku 3. Rys.3. Wpływ współczynnika wypełnienia na przebiegi prądu dławika Regulacja napięcia poprzez zmianę częstości załączeń Znacznie trudniejsza, ze względu na tętnienia, jest regulacja napięcia poprzez zmianę częstości załączeń przy stałym czasie trwania kaŝdego pojedynczego impulsu. Przykładowy przebieg prądu dławika pokazano na rysunku 4. Rys.4. Wpływ częstości załączeń przebiegi prądu dławika 3

4 A. Cel ćwiczenia. A. Poznanie układu obniŝającego napięcie z indukcyjnym obwodem ładowania. A2. Obserwacja stałych czasowych obwodu R oraz R C i ich wpływu na tętnienia przebiegów wyjściowych. A3. Poznanie metod sterowania tranzystorem szeregowym pracującym jako regulator przepływu energii. A4. Przedstawienie roli diody w obwodzie ładowania i rozładowania energii gromadzonej w indukcyjności dławika. B. Badania. Badania układu obniŝającego napięcie z indukcyjnym obwodem ładowania naleŝy przeprowadzić na stanowisku zaprezentowanym na rysunku 5. Pomiary i obserwacje sterowania współczynnikiem wypełnienia przeprowadzić w kolejności: - wyznaczenie granicznej wartości prądu ciągłego w unkcji współczynnika wypełnienia, przy stałych: napięciu zasilania, częstotliwości dla określonej indukcyjności, - wyznaczenie tętnień prądu dławika w zaleŝności od rezystancji obciąŝenia dla kilku wartości współczynnika wypełnienia, (sprawność) - ustalenie roli pojemności kondensatora na tętnienia napięcia wyjściowego w unkcji rezystancji obciąŝenia. Pomiędzy punktem a a biegunem ujemnym naleŝy dołączyć miernik częstotliwości i współczynnika wypełnienia. Rys. 5. kład obniŝający napięcie z indukcyjnym obwodem ładowania Badania układu ze sterowaniem częstotliwościowym. Wykonać próbę, poprzez jednoczesną regulację współczynnika wypełnienia i częstotliwości, zachowania się układu obniŝającego napięcie i porównać eekty regulacyjne ze sterowaniem współczynnikiem wypełnienia. C. Opracowanie wyników. C. Określić sprawność energetyczną układu obniŝającego napięcie z indukcyjnym obwodem ładowania w zaleŝności od obciąŝenia i porównać teoretycznie ze sprawnością regulatora napięcia opartego na tranzystorowym szeregowym stabilizatorze ciągłym. 4

5 C2. Przedstawić zaleŝność prądu krytycznego w unkcji współczynnika wypełnienia i wartości oddawanej mocy. C3. Podać wpływ częstości załączania tranzystora na tętnienia napięcia wyjściowego. C4. Porównać układy regulacji napięcia stałego z łącznikiem sterowanym współczynnikiem wypełnienia i częstotliwościowo. C5. Wnioski i spostrzeŝenia z wykonanych badań wstępnych i uzyskanych pomiarów. 5