Treść zadania praktycznego Rozwiązanie zadania opracowali: H. Kasprowicz, A. Kłosek Opracuj projekt realizacji prac związanych z uruchomieniem i sprawdzeniem działania zasilacza impulsowego małej mocy 40 60 [W] z modulacją PWM - zgodnie z jego danymi technicznymi. Wykorzystując informacje zawarte w załączniku 3 wykreśl potrzebne charakterystyki i wyznacz parametry zasilacza impulsowego. Na podstawie analizy otrzymanych wyników sformułuj wskazania eksploatacyjne. Projekt realizacji prac powinien zawierać: wykaz działań związanych z uruchomieniem zasilacza impulsowego małej mocy, podstawowe parametry zasilacza impulsowego uwzględniające jego warunki zasilania i obciążenia, schematy układów do sprawdzenia działania zasilacza impulsowego, opis sposobu pomiarów podstawowych parametrów zasilacza impulsowego, tabele do zapisania wyników pomiarów, wykresy charakterystyk i obliczenia, wykaz aparatury kontrolno-pomiarowej, wnioski z analizy wyników pomiarów i testów oraz wskazania eksploatacyjne dla zasilacza impulsowego z modulacją PWM. Przygotuj i załącz do projektu realizacji prac: dokumentację powstałą w wyniku sprawdzenia zasilacza impulsowego, analizę otrzymanych: wyników pomiarów, testów Do wykonania zadania wykorzystaj: a) właściwości i dane techniczne zasilacza impulsowego 24 V/2 A - załącznik 1. b) wyciąg z karty katalogowej układu scalonego AN 1521 załącznik 2. c) wyniki pomiarów załącznik 3. Do uruchomienia zasilacza impulsowego przygotowano stanowisko z przyłączem sieci energetycznej 230 V/50 Hz, zabezpieczone wyłącznikiem różnicowo-prądowym i sygnalizacją obecności napięcia sieciowego, wyposażone w aparaturę kontrolno-pomiarową między innymi oscyloskop, multimetry cyfrowe, watomierz cyfrowy oraz uruchamiany zasilacz impulsowy z dokumentacją techniczną, autotransformator i rezystor nastawny. Z załącznika 3 korzystasz tak, jakbyś sam proces przeprowadzania pomiarów zlecił innej osobie i otrzymał gotowe wyniki. Nie zapominaj jednak, że to Ty decydujesz o rodzaju mierzonych wielkości oraz sposobie wykonania pomiarów i uwzględnij to w projekcie. Czas na wykonanie zadania wynosi 240 minut. 1
Załącznik 1 Rozwiązanie zadania opracowali: H. Kasprowicz, A. Kłosek Właściwości i dane techniczne zasilacza impulsowego 24 V/2 A Zasilacz impulsowy jest zabezpieczony przed przeciążeniem i skutkami zwarcia wyjścia zasilacza. Układ elektryczny zasilacza impulsowego oparty jest na układzie scalonym najnowszej generacji: VIPer 100 A, dzięki temu liczba dyskretnych elementów układu jest maksymalnie zmniejszona. Zasilacz impulsowy z układem AN 1521 (VIPer 100 A), wykonanym w technologii unipolarnej z wbudowanym wysokonapięciowym tranzystorem (kluczującym) mocy MOSFET odpornym na przebicie lawinowe, działa z modulacją szerokości impulsu prądowego drenu, w klasycznym układzie przetwornicy dwutaktowej przedstawionym poniżej. Schemat blokowy zasilacza impulsowego małej mocy z separacją elektryczną (transformator i transoptor) obwodu wyjściowego od sieci energetycznej 230 V/50 Hz. 2
Załącznik 2 Rozwiązanie zadania opracowali: H. Kasprowicz, A. Kłosek WYCIĄG Z KARTY KATALOGOWEJ UKŁADU SCALONEGO AN 1521 wykonanego w technologii unipolarnej z wewnętrznym tranzystorem mocy MOSFET Układ scalony AN1521 jest generatorem impulsów prądowych o modulowanej szerokości w zależności od poziomu napięcia na wejściu COMP - (wewnętrznego komparatora) zależnego od rezystancji obciążenia zasilacza. Częstotliwość działania przetwornicy jest zależna od elementów zewnętrznych RC układu scalonego, dołączonych do wyprowadzenia OSC. Tranzystor mocy MOSFET wbudowany w układ scalony ma dren połączony elektrycznie z obudową metalowo-plastikową, dlatego obudowa AN 1521 musi być izolowana od radiatora podkładką teflonową lub mikową. Opis wyprowadzeń AN 1521 1. OSC obwód RC, wyznaczający częstotliwość impulsów sterujących 2. VDD napięcie zasilające generator impulsów 3. DRAIN dren tranzystora kluczującego MOSFET 4. SOURCE źródło tranzystora kluczującego MOSFET 5. COMP wejście komparatora napięcia, regulacja PWM Podstawowe dane techniczne układu scalonego AN 1521 3
Załącznik 3 Rozwiązanie zadania opracowali: H. Kasprowicz, A. Kłosek Tabele wyników pomiarów i wartości wybranych parametrów zasilacza impulsowego: Charakterystyka przejściowa U 2 =f(u 1 ) przy I 2 =2[A] U 1 [V] U 2 [V] 30 8,2 60 16,5 90 22,8 120 23,0 150 23,4 180 23,6 200 23,8 230 24,0 Charakterystyka wyjściowa U 2 =f(i 2 ) przy U 1 =230[V] I 2 [A] U 2 [V] 0 24 0,25 24 0,50 23,9 0,75 23,8 1,0 23,6 1,25 23,4 1,50 23,2 1,75 23,0 2,00 22,8 Woltomierz podłączony na wyjście nieobciążonego zasilacza wskazał wartość napięcia równą 24 [V] przy napięciu zasilania 230 [V]. Watomierz włączony w obwód zasilania wskazał wartość mocy P 1 =59[W] przy prądzie obciążenia I 2 =2[A]. Napięcie tętnień wyznaczone oscyloskopem Utpp=3[mV]. 4
Rozwiązanie zadania opracowali: H. Kasprowicz, A. Kłosek Projekt realizacji prac związanych z uruchomieniem i sprawdzeniem działania zasilacza impulsowego małej mocy 1. ZAŁOŻENIA DO PROJEKTU: parametry badanego zasilacza impulsowego z modulacją PWM: zakres napięcia zasilania U 1 wynosi od 90 do 264 [V] d) moc wyjściowa P wy = 40-60 [W] e) maksymalna moc zasilania P 1MAX = 60 [W] f) moc zasilania bez obciążenia P 1MIN = 1 [W] g) napięcie wyjściowe U 2 = 24 [V] h) stałość napięcia wyjściowego U 2 /U 2 = 5% dla I wy = 0 2 [A] i) współczynnik stabilizacji napięcia wyjściowego U wy / U 1 < 2% j) napięcie tętnień U tpp < 0,02 Vpp k) maksymalna moc wyjściowa P wy max = 48 [W] l) sprawność energetyczna η = (55 83)% wyposażenie: a) multimetr cyfrowy 3szt. b) watomierz 1szt. c) oscyloskop 1szt. d) autotransformator 1szt. e) rezystor nastawny 1szt. pomiary: a) pomiar napięcia wyjściowego bez obciążenia U 2 b) wyznaczenie charakterystyki przejściowej U 2 = f(u 1 ) c) wyznaczenie charakterystyki obciążeniowej U 2 = f(i 2 ) d) pomiar napięcia tętnień U tpp e) pomiar maksymalnej mocy pobieranej przez zasilacz P 1max f) pomiar sprawności energetycznej η max = P 2max /P 1max g) pomiar stałości napięcia wyjściowego ΔU 2 /U 2 h) pomiar współczynnika stabilizacji napięcia S = ΔU 2 /ΔU 1 i) pomiar zakresu zmian napięcia zasilania ΔU 1 2. PROJEKT REALIZACJI PRAC: 2. 1. Wykaz działań związanych z uruchomieniem i sprawdzeniem zasilacza impulsowego: 1. określenie warunków zasilania, na podstawie danych technicznych zasilacza impulsowego PWM, 2. określenie mierzonych charakterystycznych parametrów zasilacza impulsowego PWM, na podstawie danych technicznych, 3. narysowanie schematów blokowych układów pomiarowych do wyznaczenia określonych parametrów i charakterystyk, 4. sporządzenie wykazu aparatury kontrolno-pomiarowej, 5. połączenie układów pomiarowych, 6. wykonanie pomiarów i zapisanie wyników w tabelach, 7. narysowanie odpowiednich charakterystyk na podstawie dokonanych pomiarów, 8. wykonanie właściwych obliczeń, 9. porównanie wyników pomiarów z danymi technicznymi zasilacza impulsowego PWM 10. opracowanie wniosków dotyczących prawidłowości działania badanego urządzenia, 11. opracowanie wskazań eksploatacyjnych 5
2. 2. Schematy układów pomiarowych: Rozwiązanie zadania opracowali: H. Kasprowicz, A. Kłosek 230VAC autotransformator V zasilacz V schemat układu pomiarowego do wyznaczania napięcia wyjściowego bez obciążenia A 230VAC autotransformator V zasilacz V schemat układu pomiarowego do wyznaczania charakterystyki przejściowej, wyjściowej oraz napięcia tętnień W A 230VAC autotransformator V zasilacz schemat układu pomiarowego do wyznaczania mocy pobieranej przez zasilacza impulsowy 2.3. Opis sposobu pomiarów podstawowych parametrów zasilacza impulsowego: pomiar napięcia wyjściowego zasilacza bez obciążenia: na multimetrze cyfrowym należy ustawić zakres napięciowy VDC uwzględniający wartość napięcia wyjściowego zasilacza wynikającego z danych katalogowych. W celu dokonania pomiaru multimetr należy podłączyć do zacisków wyjściowych zasilacza bez dołączonego obciążenia. wyznaczanie charakterystyki przejściowej: wyznaczenie charakterystyki przejściowej polega a wyznaczeniu zależności pomiędzy napięciem wyjściowym zasilacza impulsowego, a napięciem wejściowym. Podczas jej wyznaczania należy zapewnić stałą, maksymalną wartość prądu obciążenia I 2 = 2A. W układzie pomiarowym należy wykorzystać jeden multimetr podłączony do zacisków wejściowych zasilacza. Miernik powinien być ustawiony na zakres napięciowy VAC, umożliwiający pomiar napięcia wejściowego w całym zakresie zmian. Szczególną uwagę należy zwrócić podczas odczytywania wartości napięcia wejściowego w przedziale (90 230)VAC, dla którego napięcie wyjściowe podlega stabilizacji. Drugi multimetr, podłączony do zacisków wyjściowych zasilacza, ustawiony na zakres napięciowy VDC mierzy napięcie wyjściowe. Trzeci miernik, ustawiony na zakres prądowy ADC, umożliwia pomiar prądu wyjściowego zasilacza. Zadaniem rezystora nastawnego jest utrzymanie stałej wartości prądu wyjściowego I 2 = 2A podczas zmiany wartości napięcia wejściowego doprowadzonego do zasilacza. wyznaczanie charakterystyki obciążeniowej (wyjściowej): wyznaczenie charakterystyki obciążeniowej zasilacza polega a wyznaczeniu zależności pomiędzy napięciem wyjściowym U 2, prądem obciążenia zasilacza I 2. Podczas pomiaru należy zachować stałą wartość napięcia zasilającego U 1 = 230VAC. Regulacji tego napięcia dokonujemy za 6
Rozwiązanie zadania opracowali: H. Kasprowicz, A. Kłosek pomocą autotransformatora. Zmianę wartości prądu wyjściowego I 2 w zakresie znamionowym (0 2)A zapewnia rezystor nastawny. Jeden multimetr, ustawiony na zakres VDC i podłączony do zacisków wyjściowych zasilacza, zapewnia pomiar napięcia wyjściowego, a drugi, ustawiony na zakres ADC, umożliwia pomiar prądu obciążenia w zakresie (0 2)A. Jest on włączony szeregowo z rezystorem nastawnym. pomiar napięcia tętnień Utpp : pomiaru tego dokonuje się za pomocą oscyloskopu podłączonego do rezystora nastawnego. Na oscyloskopie należy ustawić tryb pracy AC oraz dobrać odpowiednią czułość (wzmocnienie) w celu obserwacji całego przebiegu pulsującego napięcia wyjściowego zasilacza impulsowego. Wartość międzyszczytową wyznacza się z iloczynu podwojonej amplitudy przebiegu wyjściowego napięcia wyrażonej w [cm] oraz czułości wyrażonej w [mv/dz]. pomiar mocy maksymalnej pobieranej przez zasilacz: w tym celu należy do zacisków wejściowych zasilacza impulsowego podłączyć w sposób właściwy cewkę napięciową i prądową watomierza tak, jak to zostało pokazane na schemacie pomiarowym. Następnie za pomocą autotransformatora należy doprowadzić do zasilacza napięcie zasilające U 1 = 230VAC, które mierzy woltomierz wejściowy. Po ustawieniu za pomocą rezystora nastawnego prądu wyjściowego I 2 = 2A można dokonać odczytu wskazań na watomierzu. Prąd wyjściowy zasilacza mierzy amperomierz wyjściowy. wyznaczanie sprawności energetycznej: sprawność energetyczną definiuje się jako stosunek mocy wyjściowej P 2 na odbiorniku do wartości mocy P 1 pobieranej przez zasilacz. Tak obliczoną wartość wyraża się w procentach: η = P P 2 x 1 100% Ponieważ w projekcie jest podana wartość mocy P 1 = 59W pobieranej przez zasilacz przy maksymalnym obciążeniu (dla I 2 = 2A), należy obliczyć wartość maksymalnej mocy P 2 doprowadzonej do rezystora obciążającego. W tym celu z charakterystyki wyjściowej należy odczytać wartość napięcia wyjściowego U 2 dla prądu wyjściowego I 2 = 2A. Mnożąc te wartości wyznaczymy moc P2 [ W ] = U 2 [ V ] I 2 [ A]. Tak otrzymane wartości podstawiamy do powyższego wzoru i obliczamy maksymalną sprawność energetyczną zasilacza η max. Pomiar stałości napięcia wyjściowego: parametr ten wyznacza się z charakterystyki obciążenia jako stosunek zmiany napięcia wyjściowego U 2 zasilacza w pełnym zakresie zmian prądu wyjściowego I 2 = (0 2)A do znamionowej wartości napięcia wyjściowego U2 = 24VDC. Wielkość tę wyraża się w [%]. Pomiar współczynnika stabilizacji napięcia: współczynnik stabilizacji napięcia można wyznaczyć jako nachylenie charakterystyki przejściowej w zakresie stabilizacji. Odpowiada to napięciu zasilającemu U 1 zmieniającemu się w zakresie od 90VAC do 230VAC. Wielkość tę wyraża wzór: S = U U 2 x 1 100% zakres zmian napięcia zasilania: jest to przedział zmiany wartości napięcia zasilającego U 1 zasilacz, dla którego spełniony jest jeszcze warunek stabilizacji. Wyznacza się go z charakterystyki przejściowej U 2 = f(u 1 ). 7
Rozwiązanie zadania opracowali: H. Kasprowicz, A. Kłosek 3. DOKUMENTACJA Z WYKONANIA PRAC: 3.1. Charakterystyki: 30 Charakterystyka przejściowa U2=f(U1) 25 20 U2 [V] 15 10 5 0 0 50 100 150 200 250 U1 [V] Charakterystyka wyjściowa U2=f(I2) 24 22 20 U2 [V] 18 16 14 12 10 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3. 2. Wyniki obliczeń: I2 [A] napięcie wyjściowe zasilacza impulsowego bez obciążenia: napięcie tętnień: U = 2 24V U tpp = 3mV maksymalna moc pobierana przez zasilacz: P1 max = 59W moc wyjściowa przy maksymalnym obciążeniu: [ W ] = U [ V ] I [ A] = 22,8V 2A 45, W P 6 2 max 2 max 2 max = 8
Rozwiązanie zadania opracowali: H. Kasprowicz, A. Kłosek sprawność energetyczna: [ W ] [ W ] P2 max 45,6W η max [%] = P 59W 1max 77,3% stałość napięcia wyjściowego: U U 2 2zn [ V ] [ V ] 24,0V 22,8V 24V 1,2V 140V 5% zakres zmiany napięcia zasilania: zakres zmiany ΔU 1 zawiera się w przedziale od 90VAC do 230VAC współczynnik stabilizacji napięcia: S = U U 2 1 [ V ] [ V ] 24V 22,8V 230V 90V 1,2V 140V 0,9% 3. 3. Porównanie parametrów: Z analizy porównawczej wynika, że żaden z obliczonych parametrów zasilacza impulsowego z modulacją szerokości impulsów PWM nie przekracza wartości dopuszczalnych, określonych w danych znamionowych urządzenia. Na tej podstawie można wnioskować, że testowany zasilacz jest w pełni sprawny i gotowy do normalnej i bezpiecznej pracy. Parametr zmierzony/obliczony Nazwa parametru Wartość Parametr katalogowy Napięcie wyjściowe w stanie jałowym 24V 24V Współczynnik stabilizacji 0,9% 2% Napięcie tętnień 3mV <0,02Vpp Sprawność energetyczna 77,3% (55 83)% Maksymalna moc pobierana przez zasilacz 59W 60W Maksymalna moc wyjściowa 45,6W 48W Stałość napięcia wyjściowego 5% 5% 3. 4. Wskazania eksploatacyjne: Zasilacz impulsowy małej mocy z modulacją PWM może być stosowany do zasilania urządzeń, których pobór prądu jest mniejszy niż 2[A]. Wówczas napięcie wyjściowe nie zmniejszy poniżej dopuszczalnej wartości 22,8 [V]. Tym samym zostaje zachowana na poziomie 5% stałość napięcia wyjściowego. Temperatura otoczenia nie powinna przekraczać 50 0 C. Aby zapewnić znamionowe warunki pracy, urządzenie należy zasilić napięciem nie mniejszym niż 90VAC. 9
Rozwiązanie zadania opracowali: H. Kasprowicz, A. Kłosek Proponowana punktacja za poszczególne elementy składowe projektu: L.p. Kryteria oceniania elementów pracy egzaminacyjnej Maksymalna liczba punktów 1. Tytuł pracy egzaminacyjnej 2 2. Założenia do projektu 16 Projekt realizacji prac 3. Wykaz działań związanych z realizacją prac 20 4. Schematy układów pomiarowych 12 5. Opis sposobu pomiarów podstawowych parametrów zasilacza 12 Dokumentacja z wykonania prac 6. Wyniki obliczeń 21 7. Porównanie parametrów 8 8. Wskazania eksploatacyjne 4 Ogólna ocena pracy egzaminacyjnej RAZEM 95 Przejrzysta 1 Logicznie uporządkowana 1 Napisana językiem technicznym stosowanym dla zawodu 1 Czytelna 1 Estetyczna 1 RAZEM 5 ŁĄCZNIE 100 10