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

Transkrypt

1 Laboratorium Podstaw Elektroniki Badanie przekształtnika podwyższającego 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 podwyższających napięcie. 2.Wstęp teoretyczny Większość urządzeń elektronicznych zasilanych jest pojedynczym napięciem stałym rzędu kilku do kilkunastu woltów. Niejednokrotnie zachodzi potrzeba zasilenia niektórych układów napięciem o wartości wyższej, m. in. ze względów energetycznych. Przykładem może być problem zasilania wzmacniacza mocy audio w pojazdach samochodowych: w celu uzyskania dużej mocy wyjściowej wzmacniacz wymaga zasilania symetrycznym napięciem min. ± V. Rozwiązaniem jest zastosowanie przekształtnika podwyższającego napięcie. Schemat ideowy tego przekształtnika został pokazany na rys.. Rys.. Schemat ideowy przekształtnika podwyższającego napięcie. ranzystor Q pracuje jako łącznik, załączając lub wyłączając przepływ prądu przez indukcyjność L. Element ten pełni rolę magazynu energii. Kondensator C pełni rolę filtru wygładzającego przebieg napięcia na rezystancji obciążenia R. ranzystor Q jest sterowany napięciem Us 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= oraz częstotliwość f napięcia sterującego Us: t ()

2 f= (2) Współczynnik D może przyjmować wartości z zakresu: <0,>. Rys.2. Przebieg napięcia sterującego Us. W stanie ustalonym (kondensator C posiada już pewien ładunek elektryczny), w przedziale czasu 0 < t <t tranzystor przewodzi (rys 3). Napięcie na kolektorze tranzystora wynosi 0 V. Na zaciskach cewki L występuje napięcie Uwe. 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 (5) to: i L t = U we 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 t I 0 (7) L Rys. 3. Schemat układu przekształtnika dla 0 < t < t.

3 Rys. 4. Przebiegi napięć i prądów w układzie przekształtnika podwyższającego napięcie. Dla 0 < t < t prąd tranzystora Q jest równy prądowi IL (rys. 4). Dioda D jest spolaryzowana zaporowo (0 V na anodzie). 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. Prawy zacisk cewki L (rys. 5) ma wyższy potencjał od lewego zacisku tej cewki. Potencjał anody diody D przyjmuje wartość dodatnią, a dioda zostaje spolaryzowana w kierunku przewodzenia. 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 Rys. 5. Schemat układu przekształtnika podwyższającego napięcie w przedziale czasu t < t <. Wartość napięcia na L wynosi: U L =U we U wy 0 (8) Czyli: U L =U we U wy (9) Zgodnie z prawem Faraday a (3): i L t = U we U wy t i L t (0) L Prąd cewki L a tym samym prąd diody D maleje liniowo (rys. 4). Dla t = IL osiaga wartość minimalną: i Lmin= U we U wy i L t () L Energia zgromadzona w cewce jest opisana zależnością: 2 E= L I L (2) 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 (3) Korzystając z równania (3) prąd IL: du =di L (4) L L Obie strony równania (4) całkujemy w granicach <0,>:

5 u dt=i L i L 0 =0 (5) L0 L u L dt= 0 u dt=0 (6) 0 L Wartość średnia napięcia na indukcyjności w okresie jest równa zeru. Dla przekształtnika podwyższającego: t u L dt u L dt=0 0 (7) t W przedziale czasu <0,t> UL = Uwe, w przedziale czasu <t,>: -UL = Uwe-Uwy: U we t =U we U wy t (8) Zatem: U wy= (9) U t we Biorąc pod uwagę () U wy= (20) U D we Wartość napięcia wyjściowego przekształtnika podwyższającego jest zawsze większa (lub co najwyżej równa) wartości napięcia wejściowego. Zależności (9) i (20) oraz 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: 2U wy D2 U wy= U we (20) 2 I wy L 3.Opis płytki prototypowej. Przekształtnik obniżający napięcie został zmontowany na uniwersalnej płytce drukowanej. Układ sterowania zbudowano w oparciu o układ scalony MC34063A (rys. 7). Realizuje on poprzez elementy R3 i RV 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 RV służy do ustawiania wartości napięcia wyjściowego. Załączenie prądu w cewce realizuje tranzystor Q typu IP 29B. W celu polepszenia warunków chłodzenia tranzystora został on umieszczony na radiatorze. Kondensatory C2 i C3 pełnią rolę filtrów

6 przeciwzakłóceniowych od strony napięcia zasilania Uwe, dioda D zabezpiecza przekształtnik przez uszkodzeniem na skutek zmiany polaryzacji napięcia wejściowego. Rys. 6. Przebiegi napięć i prądów w nieciągłym trybie pracy przekształtnika podwyższającego. 4.Przebieg ćwiczenia laboratoryjnego. a)za pomocą multimetru ustawionego na pomiar rezystancji z sygnałem dźwiękowym, zlokalizować na płytce prototypowej punkty pomiarowe P2 P5, oraz zaciski do przyłączenia napięcia wejściowego i wyjściowego P, P6 (rys. 7). b)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.

7 Rys. 7. Schemat ideowy płytki prototypowej. c)do zacisków wejściowych płytki prototypowej dołączyć zasilacz napięcia stałego. d)po sprawdzeniu układu połączeń przez prowadzącego załączyć zasilacz i ustawić napięcie (o wartości podanej przez prowadzącego). Przekroczenie wartości napięcia wyjściowego powyżej 40 V może spowodować uszkodzenie kondensatora C5 (rys. 7). e)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. P4 Ube) oraz przebieg tętnień napięcia wyjściowego (oscyloskop: sprzężenie AC, p.p. P5 Uwy). Dla trzech różnych wartości współczynnika D naszkicować (zarejestrować) obserwowane przebiegi. W protokole pomiarowym odnotować tryb pracy przekształtnika (ciągły, nieciągły). f)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. P4 Ube) oraz przebieg tętnień napięcia wyjściowego (sprzężenie AC, p.p. P5 Uwy). Dla trzech różnych wartości Iwy naszkicować (zarejestrować) obserwowane przebiegi. W protokole pomiarowym odnotować tryb pracy przekształtnika (ciągły, nieciągły). g)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 = 3 A. W protokole zanotować wyniki pomiarów: t,, Uwe, Iwe, Uwy, Iwy. Na oscyloskopie obserwować przebiegi napięcia bazy tranzystora Q (p.p. P4 Ube) oraz przebieg tętnień napięcia wyjściowego (sprzężenie AC, p.p. P5 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. e). 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. f). c)narysować charakterystykę przejściową przekształtnika, Narysować charakterystyki Uwy= f(uwe), D = f(uwe) (p. 4 lit. g). 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.