Politechnika Białostocka

Transkrypt

1 Plitechnika Białstcka Wydział Elektryczny Katedra Autmatyki i Elektrniki Instrukcja d ćwiczeń labratryjnych z przedmitu ELEKTRONIKA 2 Kd: ES1C STABILIZATOR IMPLSOWY Białystk 2014

2 STABILIZATOR IMPLSOWY 1. Wstęp Wbec pgłębiająceg się deficytu energii pwstaje kniecznść szczędneg gspdarwania nią, zwłaszcza najszlachetniejszym jej rdzajem energią elektryczną. rządzenia elektrniczne muszą być zasilane stabilizwanymi napięciami stałymi. Dbrym rzwiązaniem, szczególnie przy dużych mcach wyjściwych, są stabilizatry impuls. Wyska sprawnść, stabilne napięcie wyjści, niezależne d napięcia zasilająceg i temperatury tczenia sprawiają, że są niemal idealnym źródłem prądu stałeg. Mże n być częścią większeg urządzenia elektrniczneg, ale zazwyczaj jest ddzielnym mdułem, wyknanym zwykle jak układ scalny. Najczęstsze zastswania t zasilacze sprzętu kmputerg, elektrniki użytkj, sprzętu telekmunikacyjneg i medyczneg, aparatury pkładj samltów raz sprzętu ksmiczneg. 2. Wprwadzenie Jednym z najisttniejszych pdzespłów stabilizatrów impulswych są układy przekazywania energii (stpnie wyjści mcy). W ich skład wchdzą elementy przełączające, które umżliwiają przepływ energii pmiędzy jściem, a wyjściem stabilizatra. Impulswy układ przekazywania energii mże być z wyjściem dizlwanym lub niedizlwanym d sieci. W przekształtniku działaniu impulswym (rys. 1) tranzystr regulacyjny pracuje jak łącznik dprwadzający napięcie d bciążenia za pśrednictm filtru indukcyjnpjemnścig, któreg zadaniem jest wygładzenie napięcia wyjścig, związaneg z pracą impulswą. Dławik magazynuje energię w jednej fazie cyklu, aby w drugiej ddać energię, zastępując źródł zasilające, a tym samym stabilizwać napięcie. Dida zwrtna umżliwia przepływ energii tylk w jednym kierunku, a jej umiejscwienie i plaryzacja zależy d rdzaju knrtera. Rys. 1. Schemat idewy impulsg stabilizatra bniżająceg napięcie jści W czasie przewdzenia łącznika prąd przepływa przez dławik i bciążenie, ładując jedncześnie kndensatr (linia ciągła na rys. 1). P wyłączeniu łącznika prąd przepływający przez dławik nie mże zmienić się skkw, kntynuując przepływ przez bciążenie i didę zwrtną. W tym czasie prąd rzładwania kndensatra zasila bciążenie (linia przerywana na rys. 1). W większści układów stabilizatr impulswy jest sterwany z generatra impulsów prstkątnych mdulwanej szerkści impulsów (PWM). Wartść napięcia wyjścig

3 stabilizatra mże być regulwana pprzez zmianę współczynnika wypełnienia impulsów, przy stałej częsttliwści przełączania (rys. 2). Rys. 2. Kształtwanie napięcia wyjścig pprzez mdulację szerkści impulsu kłady przekazywania energii wyjściu nieizlwanym d jścia dzielą się na: bniżające napięcie (ang. step - dwn, bucking), pdwyższające napięcie (ang. step up, bst) raz zmieniające biegunwść napięcia stałeg (ang. plarity-cnverting). Tematyką ćwiczenia jest badanie regulwaneg stabilizatra bniżająceg napięcie jści sterwaneg mnlitycznym układem scalnym LM W dróżnieniu d układów dyskretnych, zasadniczy ciężar pracy prjektj spczywa na knstruktrach układu scalneg. Zadanie użytkwnika sprwadza się na gół d umiejętneg i całścig wykrzystania danych zawartych w katalgu. 3. Stabilizatr bniżający napięcie W układzie stabilizatra impulsg bniżająceg napięcie (rys. 3) tranzystr T pracuje jak łącznik. Kndensatr C włączny równlegle d bciążenia R jest ładwany impulsw pprzez dławik L. W czasie, gdy tranzystr T jest załączny, kndensatr C ładwany jest prądem przepływającym przez dławik indukcyjnści L. W czasie załączenia tranzystra t 1 przyrst prądu w dławiku wynsi: t 1 I Lt1 = t1 = γt, (1) L L gdzie: γ = jest współczynnikiem wypełnienia. T

4 Gdy tranzystr zstanie wyłączny (zatkany), zgrmadzna w indukcyjnści energia nie pzwala na skkwą zmianę prądu, który w przedziale t 2 zamyka się pprzez pjemnść C i didę zwrtną. W tym czasie prąd w dławiku maleje liniw zgdnie z zależnścią (2): I Lt = T (1 γ ). (2) 2 L Rys. 3. Schemat stabilizatra impulsg bniżająceg napięcie Stabilizacja napięcia wyjścig zachdzi wtedy, gdy przyrst i spadek prądu dławika pdczas czasu załączenia i wyłączenia klucza są sbie równe, czyli: γt = T ( 1 γ ) (3) L L Wyznaczając z zależnści (80) trzymujemy: = γ. (4) Z pwyższej zależnści widać, iż napięcie wyjści mże być stabilizwane pprzez zmianę współczynnika wypełnienia. Pnieważ jest n zawsze mniejszy d jednści ( γ < 1), zatem napięcie wyjści będzie zawsze niższe d napięcia jścig.

5 Rys. 4. Przebiegi napięć i prądów stabilizatra bniżająceg napięcie Dla wyjścia indukcyjnść L wraz z pjemnścią stanwią filtr dlnprzepustwy, jedncześnie dławik jest elementem, który granicza prąd. Pnieważ w indukcyjnści jest mżli jednczesne grmadzenie jak i dzysk energii wówczas w chwili, gdy klucz jest wyłączny (tranzystr zatkany), wtedy zaczyna przewdzić dida zwrtna przekazując energię nagrmadzną w dławiku d kndensatra i bciążenia. W rezultacie pprawia się sprawnść układu. Krytyczna wartść indukcyjnści dławika jest kreślana dla pdwójnej wartści średniej minimalneg prądu bciążenia, c mżna zapisać zależnścią:

6 T ( 1 γ ) = 2I (5) L Pdstawiając w miejsce γ wyrażenie /, raz d I zależnść P / trzymujemy wzór na minimalną wartść indukcyjnści: L min 2 T = (1 ), (6) P 2 min max gdzie: P min minimalna mc wyjściwa. Dla zadanej indukcyjnści mżna bliczyć wartść graniczną prądu bciążenia, czyli taką, przy której chwilwa wartść prądu dławika chwilw spada d zera. Mżna t wyrazić zależnścią: I Lim ( 1 γ ) T =. (7) 2L Gdy prąd bciążenia jest większy d tej wartści, wtedy prąd dławika nie spada d zera. Przy pminięciu strat, d kreślenia parametrów układu ważne są pniższe zależnści: = γ, gdy I >I Lim. (8) raz = 2LI, gdy 0 I I. (9) Lim 1+ 2 T 4. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia labratryjneg jest zrzumienie działania, pznanie rli elementów składwych układu raz właściwści regulwanych stabilizatrów impulswych. Studenci przed przestąpieniem d wyknywania ćwiczenia pwinni zapznać się z zakresem napięć jściwych i wyjściwych, prądów i mżliwych knfiguracji pracy pdanych w ncie aplikacyjnej prducenta układu LM2576-ADJ. 5. Opis stanwiska labratryjneg Rysunek 5 przedstawia schemat idewy stanwiska labratryjneg. Głównym elementem jest scalny stabilizatr impulswy LM2576-ADJ, któreg napięcie wyjści mże być regulwane d 5 V d 15 V. Elementami zewnętrznymi wyprwadznymi na płytę człwą

7 są : kndensatry jściwy i wyjściwy, dida Schttky-g, dławik raz żarówki pełniące rle bciążenia. Rys. 5. Schemat stanwiska labratryjneg Rys. 6. Struktura wnętrzna stabilizatra impulsg LM2576-ADJ 6. Przygtwanie d pracy w labratrium (część prjektwa ćwiczenia)

8 6.1. stal napięcie wyjści stabilizatra impulsg napięcia stałeg. Jeg wartść ma być równa wy = 5+0,5x [V], gdzie x jest numerem zespłu, który stanwisz w grupie labratryjnej. Oblicz współczynnik wypełnienia impulsów sterujących, pzwalający uzyskać wybraną wartść napięcia wyjścig. Przyjmij, że wartść napięcia jścig stabilizatra jest równa 15V. Wiedząc, że przerwa między impulsami sterującymi wynsi 15 µs blicz czas trwania tych impulsów. Znając indukcyjnść cewki L1=100 µh, blicz krytyczny prąd bciążenia stabilizatra. mieść wyniki bliczeń w sprawzdaniu Narysuj przebiegi prądów w cewce L1, tranzystrze regulacyjnym i didzie D1 dla bciążenia krytyczneg raz wybranych wartści pd- i nadkrytyczneg prądu bciążenia Zaprjektuj schemat blkwy układu pmiarg, umżliwiający badanie pdstawwych parametrów zasilacza (napięcie wyjści, charakterystyka wyjściwa, sprawnść itd.) Określić teretyczną sprawnść energetyczną impulsg układu bniżająceg napięcie i prównać ją ze sprawnścią stabilizatra ciągłeg. 7. Praca w labratrium (część dświadczalna ćwiczenia) 7.1. Badanie stabilizatra impulsg Dknaj bserwacji scylskpwych i zarejestruj wybrane przebiegi stabilizatra impulsg używając snd napięciwych i prądwych. Obserwując kształt prądu tranzystra, cewki lub didy, kreśl prąd krytyczny stabilizatra. Zantuj wynik, zarejestruj scylgramy wspmnianych prądów dla teg raz kilku różnych prądów bciążenia (w tym dla bciążenia prądem maksymalnym). staw prąd bciążenia nieznacznie większy d prądu krytyczneg. Zmierz napięcie jści i wyjści. Wyjaśnij entualne rzbieżnści trzymanych wyników z wcześniej wyknanymi bliczeniami. Wyjaśnij kształty naryswanych przebiegów i przyczyny zmian przy różnych prądach bciążenia. Zmierz charakterystykę wyjściwą stabilizatra w całym zakresie mżliwych d uzyskania zmian prądu bciążenia dla WE =15 V. Zantuj wyniki, wykreśl tę charakterystykę. Wyjaśnij jej kształt. Wyznacz zależnść prądu krytyczneg w funkcji współczynnika wypełnienia i wartści ddawanej mcy. Wyznacz sprawnść stabilizatra w funkcji napięcia jścig i prądu bciążenia. Zabserwuj i wyjaśnij wpływ parametrów układu na tętnienia napięcia wyjścig.

9 8. Pytania kntrlne Narysuj schemat i mów zasadę działania stabilizatra pdwyższająceg, bniżająceg i dwracająceg napięcie. Narysuj przebiegi napięć i prądów tranzystra, didy, dławika i kndensatra wyżej wymieninych przekształtników. C t jest prąd graniczny bciążenia? Kiedy prąd dławika jest ciągły i nieciągły? W jaki spsób dla układu LM2576-ADJ dbiera się zewnętrzne rezystancje w zależnści d napięcia wyjścig? LITERATRA 1. J. Baranwski, G. Czajkwski,kłady elektrniczne cz. II - kłady analg nielini i impuls. Wydawnictwa Naukw-Techniczne, Warszawa 2004r. 2. Ödön Ferenczi. Zasilanie układów elektrnicznych, Wydawnictwa Naukw- Techniczne Warszawa 1989r. 3.. Tietze, Ch. Schenk. kłady półprzewdnik, Wydawnictwa Naukw- Techniczne Warszawa 2009r. 4. Pitr Górecki. Przetwrnica impulswa, Elektrnika dla wszystkich, nr 3,1999r. Będę niezmiernie wdzięczny za wszelkie prpzycje zmian przesłane na adres dawid@pb.edu.pl w celu udsknalenia niniejszeg pracwania. dr hab. inż. Jakub Dawidziuk, prf. nzw. PB