Badanie przekształtnika impulsowego DC/DC obniżającego napięcie

Podobne dokumenty
Stabilizatory impulsowe

Przekształtniki impulsowe prądu stałego (dc/dc)

Politechnika Poznańska, Instytut Elektrotechniki i Elektroniki Przemysłowej, Zakład Energoelektroniki i Sterowania Laboratorium energoelektroniki

BADANIA SYMULACYJNE PROSTOWNIKA PÓŁSTEROWANEGO

12. Zasilacze. standardy sieci niskiego napięcia tj. sieci dostarczającej energię do odbiorców indywidualnych

Przekształtniki napięcia stałego na stałe

Stabilizatory ciągłe

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

Dobór współczynnika modulacji częstotliwości

Politechnika Poznańska, Instytut Elektrotechniki i Elektroniki Przemysłowej, Zakład Energoelektroniki i Sterowania Laboratorium energoelektroniki

Ćwiczenie 1. Symulacja układu napędowego z silnikiem DC i przekształtnikiem obniżającym.

Rys. 1. Przebieg napięcia u D na diodzie D

Przetwornica SEPIC. Single-Ended Primary Inductance Converter z przełączanym jednym końcem cewki pierwotnej Zalety. Wady

MODEL SYMULACYJNY ENERGOELEKTRONICZNEGO STEROWANEGO ŹRÓDŁA PRĄDOWEGO PRĄDU STAŁEGO BAZUJĄCEGO NA STRUKTURZE BUCK-BOOST CZĘŚĆ 2

Zasilacz. Ze względu na sposób zmiany napięcia do wartości wymaganej przez zasilany układ najczęściej spotykane zasilacze można podzielić na:

Przerywacz napięcia stałego

Kondensator wygładzający w zasilaczu sieciowym

ANALOGOWE I MIESZANE STEROWNIKI PRZETWORNIC. Ćwiczenie 3. Przetwornica podwyższająca napięcie Symulacje analogowego układu sterowania

Właściwości przetwornicy zaporowej

PL B1. Sposób i układ tłumienia oscylacji filtra wejściowego w napędach z przekształtnikami impulsowymi lub falownikami napięcia

PL B1. POLITECHNIKA OPOLSKA, Opole, PL BUP 05/18. JAROSŁAW ZYGARLICKI, Krzyżowice, PL WUP 09/18

PL B1. AZO DIGITAL SPÓŁKA Z OGRANICZONĄ ODPOWIEDZIALNOŚCIĄ, Gdańsk, PL BUP 20/10. PIOTR ADAMOWICZ, Sopot, PL

Ćwiczenie: "Właściwości wybranych elementów układów elektronicznych"

CYFROWY REGULATOR PRĄDU DIOD LED STEROWANY MIKROKONTROLEREM AVR *)

Część 4. Zmiana wartości napięcia stałego. Stabilizatory liniowe Przetwornice transformatorowe

Prostowniki. 1. Prostowniki jednofazowych 2. Prostowniki trójfazowe 3. Zastosowania prostowników. Temat i plan wykładu WYDZIAŁ ELEKTRYCZNY

Najprostszymi stabilizatorami są stabilizatory ciągłe. Ich zasada działania polega na obcinaniu nadwyżki napięcia wyjściowego, zatem sprawność stabili

Modelowanie i badania transformatorowych przekształtników napięcia na przykładzie przetwornicy FLYBACK. mgr inż. Maciej Bączek

(57) 1. Układ samowzbudnej przetwornicy transformatorowej (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B2 PL B2 H02M 3/315. fig.

Przetwornice napięcia. Stabilizator równoległy i szeregowy. Stabilizator impulsowy i liniowy = U I I. I o I Z. Mniejsze straty mocy.

I we. F (filtr) U we. Rys. 1. Schemat blokowy układu zasilania odbiornika prądu stałego z sieci energetycznej z zastosowaniem stabilizatora napięcia

Przetwornica mostkowa (full-bridge)

MODEL SYMULACYJNY ENERGOELEKTRONICZNEGO ZASILACZA AWARYJNEGO UPS O STRUKTURZE TYPU VFI

Zastosowania nieliniowe wzmacniaczy operacyjnych

Podzespoły i układy scalone mocy część II

Zastosowania liniowe wzmacniaczy operacyjnych

POLITECHNIKA BIAŁOSTOCKA

Ć w i c z e n i e 1 6 BADANIE PROSTOWNIKÓW NIESTEROWANYCH

Laboratorium Podstaw Energoelektroniki. Krzysztof Iwan Piotr Musznicki Jarosław Guziński Jarosław Łuszcz

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

Impulsowe przekształtniki napięcia stałego. Włodzimierz Janke Katedra Elektroniki, Zespół Energoelektroniki

Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice lato 2015/16. dr inż. Łukasz Starzak

Badanie obwodów z prostownikami sterowanymi

Badanie układów prostowniczych

ĆWICZENIE ZASILACZE. L a b o r a t o r i u m Elektroniki 2. Zakład EMiP I M i I B

Spis treści 3. Spis treści

Własności i zastosowania diod półprzewodnikowych

Rys Schemat parametrycznego stabilizatora napięcia

Politechnika Białostocka

LUZS-12 LISTWOWY UNIWERSALNY ZASILACZ SIECIOWY DOKUMENTACJA TECHNICZNO-RUCHOWA. Wrocław, kwiecień 1999 r.

Ćwiczenie 1b. Silnik prądu stałego jako element wykonawczy Modelowanie i symulacja napędu CZUJNIKI POMIAROWE I ELEMENTY WYKONAWCZE

Szybkie metody projektowania filtrów aktywnych

Wydział Elektrotechniki, Automatyki, Informatyki i Elektroniki Katedra Elektroniki

Uniwersytet Pedagogiczny

PL B1. POLITECHNIKA GDAŃSKA, Gdańsk, PL BUP 10/16. JAROSŁAW GUZIŃSKI, Gdańsk, PL PATRYK STRANKOWSKI, Kościerzyna, PL

STABILIZATORY NAPIĘCIA STAŁEGO. 1. Wiadomości wstępne

STABILIZATORY NAPIĘCIA I PRĄDU STAŁEGO O DZIAŁANIU CIĄGŁYM Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych

Zasilanie diod LED w aplikacjach oświetleniowych AC liniowym, szeregowym regulatorem prądu układ CL8800 firmy Microchip (Supertex)

5 Filtry drugiego rzędu

Ćwiczenie 2a. Pomiar napięcia z izolacją galwaniczną Doświadczalne badania charakterystyk układów pomiarowych CZUJNIKI POMIAROWE I ELEMENTY WYKONAWCZE

Gdy wzmacniacz dostarcz do obciążenia znaczącą moc, mówimy o wzmacniaczu mocy. Takim obciążeniem mogą być na przykład...

ĆWICZENIE 15 BADANIE WZMACNIACZY MOCY MAŁEJ CZĘSTOTLIWOŚCI

Badanie dławikowej przetwornicy podwyŝszającej napięcie

IMPULSOWY PRZEKSZTAŁTNIK ENERGII Z TRANZYSTOREM SZEREGOWYM

Prostowniki. Prostownik jednopołówkowy

PL B1. WOJSKOWY INSTYTUT MEDYCYNY LOTNICZEJ, Warszawa, PL BUP 23/13

Falownik FP 400. IT - Informacja Techniczna

Diody półprzewodnikowe

Diody półprzewodnikowe

Katedra Przyrządów Półprzewodnikowych i Optoelektronicznych Laboratorium Przyrządów Półprzewodnikowych. Ćwiczenie 4

Przekształtniki DC/DC

Pomiary napięć i prądów zmiennych

Diody półprzewodnikowe

Testery zasilaczy. Zasilacze liniowe

Tranzystorowe wzmacniacze OE OB OC. na tranzystorach bipolarnych

Spis treści Przełączanie złożonych układów liniowych z pojedynczym elementem reaktancyjnym 28

POLITECHNIKA BIAŁOSTOCKA

PRZEKSZTAŁTNIK REZONANSOWY W UKŁADACH ZASILANIA URZĄDZEŃ PLAZMOWYCH

Podstawy Elektroniki dla Informatyki. Generator relaksacyjny

Zasilacz stabilizowany ZS2,5

Właściwości tranzystora MOSFET jako przyrządu (klucza) mocy

(13) B1 (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) PL B1 RZECZPOSPOLITA POLSKA. (21) Numer zgłoszenia: (51) IntCl7 H02M 7/42

Własności i zastosowania diod półprzewodnikowych

Dioda półprzewodnikowa

Laboratorium Analogowych Układów Elektronicznych Laboratorium 6

Ćwiczenie nr 05 1 Oscylatory RF Podstawy teoretyczne Aβ(s) 1 Generator w układzie Colpittsa gmr Aβ(S) =1 gmrc1/c2=1 lub gmr=c2/c1 gmr C2/C1

Laboratorium Przyrządów Półprzewodnikowych Laboratorium 1

Statyczne badanie wzmacniacza operacyjnego - ćwiczenie 7

4. Funktory CMOS cz.2

1. Zarys właściwości półprzewodników 2. Zjawiska kontaktowe 3. Diody 4. Tranzystory bipolarne

Symulacja układów elektronicznych z użyciem oprogramowania SPICE zajęcia warsztatowe SKN CHIP. Przygotował Bogdan Pankiewicz, maj 2017

(54) Filtr aperiodyczny

Zespół Szkół Łączności w Krakowie. Badanie parametrów wzmacniacza mocy. Nr w dzienniku. Imię i nazwisko

Temat: Badanie własności elektrycznych p - pulsowych prostowników niesterowanych

Część 4. Zagadnienia szczególne. b. Sterowanie prądowe i tryb graniczny prądu dławika

Teoria Przekształtników - kurs elementarny

BEZPRZEPIĘCIOWE STEROWANIE IMPULSOWE REGULATORA NAPIĘCIA PRZEMIENNEGO

BADANIE DIOD PÓŁPRZEWODNIKOWYCH

Przykładowe zadanie egzaminacyjne dla kwalifikacji E.20 w zawodzie technik elektronik

ELEMENTY ELEKTRONICZNE. Układy polaryzacji i stabilizacji punktu pracy tranzystora

Transkrypt:

Badanie przekształtnika impulsowego DC/DC obniżającego napięcie «Simulation Research of DC/DC Buck Impulse Converter» by Dariusz SOBCZYŃSKI; Jacek Bartman Source: Education Technology Computer Science (Edukacja Technika Informatyka), issue: No06/Part3 / 2015, pages: 251 256, on www.ceeol.com. The following ad supports maintaining our C.E.E.O.L. service

Dariusz SOBCZYŃSKI Politechnika Rzeszowska, Polska Jacek BARTMAN Uniwersytet Rzeszowski, Polska Badanie przekształtnika impulsowego DC/DC obniżającego napięcie Wstęp Zasilacze impulsowe stosowane są w sprzęcie o dużym poborze prądu i niskim wyjściowym napięciu zasilającym, takim jak: komputery przenośne, smartfony itp. Ponadto, zasilacze impulsowe mogą być stosowane w sprzęcie zminiaturyzowanym lub w urządzeniach zasilanych z baterii, czyli niezależnych od sieci. Kolejnym zastosowaniem są zasilacze uniwersalne zasilane zarówno napięciem przemiennym, jak i stałym (przenośne urządzenia nadawczo-odbiorcze, kalkulatory kieszonkowe, przenośne odbiorniki telewizyjne, przyrządy pokładowe w samolotach), w których dąży się do zmniejszenia masy i objętości. Mogą być stosowane również tam, gdzie wymagane jest zasilanie bezprzerwowe. Zasilacze pracujące przy częstotliwości 50 lub 60 Hz wymagają stosowania dużych i ciężkich transformatorów oraz dławików filtrujących, a także dużych i drogich kondensatorów elektrolitycznych. Ponadto, wykorzystanie konwencjonalnych metod regulacji wymaga stosowania znacznych rozmiarów układów chłodzących. Zasilacze impulsowe są mniejsze, lżejsze i mają dużą sprawność. Wymagają jednak stosowania wysokonapięciowych tranzystorów przełączających, rdzeni ferrytowych do transformatorów i dławików o ulepszonych parametrach, szybkich diod prostowniczych, małych kondensatorów elektrolitycznych o niewielkich wartościach [Erickson; Szostek 2015]. Rozwiązania układowe przekształtników impulsowych Wiele typów zasilaczy wykorzystujących przetwornice DC/DC znalazło zastosowanie w różnorodnych rozwiązaniach układowych. W zależności od tego, czy jest wymagana stabilizacja napięcia wyjściowego, czy też nie, przetwornice DC/DC dzielimy na: niestabilizowane (z otwartą pętlą sprzężenia zwrotnego) (rys. 1a), stabilizowane (z zamkniętą pętlą sprzężenia zwrotnego) (rys. 1b). 251

Access via CEEOL NL Germany Rys. 1. Przetwornice DC/-DC o: a) niestabilizowanym, b) stabilizowany napięciu wyjściowym Podstawową właściwością stabilizacji impulsowej jest to, że odbiornik jest w równych odstępach czasowych połączony ze źródłem energii (poprzez półprzewodnikowy element przełączający) i następnie od niego znowu odłączony. Wartość średnia napięcia przyłożonego do obciążenia jest utrzymana w przybliżeniu na stałym poziomie przez automatyczny układ regulacji zmieniający względne czasy trwania okresów włączania i wyłączania. Stabilizatory tego typu wymagają odpowiedniej filtracji napięcia lub prądu wyjściowego [Erickson]. Oprócz przekształtników DC/DC obniżających napięcie (buck converter) stosowane są również przekształtniki innego typu podwyższające lub obniżające napięcie oraz przekształtniki zmieniające polaryzację. W każdym układzie występuje tranzystor pracujący jako klucz oraz dioda. Średnią wartość napięcia wyjściowego obliczamy ze wzoru: U s Ts 1 = us ( t) dt = DU T s 0 gdzie: T s okres impulsowania, D współczynnik wypełnienia zmieniający się w granicach 0 D 1, U g napięcie wejściowe. PSpice jako narzędzie symulacyjne Język symulacyjny SPICE (z ang. simulation program with integrated circuit emphasis) został opracowany w Uniwersytecie Berkeley (Kalifornia). Na jego podstawie zostało opracowanych wiele programów o różnym przeznaczeniu. Jednym z nich jest PSPICE służący do analizy obwodów przekształtnikowych. Pakiety PSPICE w pełnej wersji umożliwiają symulację obwodów bardzo rozbudowanych, są stosunkowo kosztowne, jednak ich zakup ułatwia dostęp do g 252

rozbudowanych bibliotek modeli przyrządów półprzewodnikowych oraz układów scalonych. W artykule została wykorzystana bezpłatna wersja programu PSPICE PSpice 9.1 Student Version. Układ przekształtnika DC/DC Rys. 2. Schemat impulsowego przekształtnika DC/DC obniżającego napięcie Rys. 3. Przekształtnik DC/DC obniżający napięcie. Wyniki symulacji: przebieg napięcia wyjściowego przy zmianie współczynnika wypełnienia D = (0,1 1) z krokiem 0,1 Wartość napięcia wyjściowego na odbiorniku regulujemy poprzez zmianę współczynnika wypełnienia D lub przez zmianę częstotliwość. Przy małej częstotliwości przełączania występuje duża wartość składowej zmiennej, co skutkuje większym tętnieniem napięcia i prądu. Wyboru odpowiedniego ze względu na tętnienia, sposób regulacji dokonujemy zależnie od potrzeb. Sterowanie poprzez 253

zmianę współczynnika wypełnienia jest częściej stosowane niż poprzez zmianę częstotliwości. Zwiększając współczynnik wypełnienia w przedziale 0 D 1, obserwujemy wzrost napięcia na odbiorniku. Przy współczynniku D = 1 (tranzystor ciągle zamknięty) napięcie na odbiorniku teoretycznie powinno być równe napięciu zasilającemu. W rzeczywistości tak nie jest, gdyż należy uwzględnić spadek napięcia na tranzystorze. Czas przewodzenia prądu przez zawór sterowany w każdym okresie przełączania wynosi: t i = ( 1 D) T Symulację przeprowadzono przy następujących parametrach układu symulacyjnego (rys. 2): Rz 1 = 200 Ω, Rz 2 = 500 Ω, Lo = 500 µh, Ro = 10 Ω, Co = 100 µf, T = 100 µs. Wartość współczynnika wzrasta z kolejnością oznaczeń pod przebiegiem, gdzie: wartość najmniejsza, wartość największa. Rys. 4. Przekształtnik DC/DC obniżający napięcie. Wyniki symulacji: przebieg sprawności symulowanego układu dla D = (0,2; 0,5; 0,9) Filtr dolno-przepustowy Elementy pasywne użyte w układzie symulacyjnym (indukcyjność L, pojemność C, rezystancja R) tworzą filtr dolno-przepustowy (rys. 5). W badaniach własności filtrów reaktancyjnych wystarczy rozważyć tylko filtr dolnoprzepustowy typu T, ponieważ łatwo przekształcić ten filtr w filtr góroprzepustowy, pasmowo-przepustowy lub pasmowo-zaporowy za pomocą transformacji częstotliwości [Bajorek i in. 1997]. 254

Rys. 5. Schemat symulacyjny filtra dolno-przepustowego Podsumowanie Celem pracy było przeprowadzenie badań symulacyjnych przekształtnika impulsowego DC/DC obniżającego napięcie oraz interpretacja otrzymanych wyników. Na podstawie otrzymanych przebiegów można stwierdzić wpływ zmian poszczególnych parametrów na przebiegi napięć i prądów wyjściowych przekształtnika. Przy projektowaniu rzeczywistego przekształtnika należy dobierać takie wartości pojemności, rezystancji oraz indukcyjności, aby uzyskać wyniki adekwatne do potrzeb. Najważniejsze cele to wysoka sprawność całego układu oraz odpowiednie tłumienie napięcia tętnień. Napięcie wyjściowe powinno być stałe niezależnie od zmian napięcia wejściowego, prądu obciążenia i temperatury otoczenia zachodzących w określonym zakresie. Przekształtnik powinien wykazywać odpowiednią wejściową i wyjściową odpowiedź impulsową. W przypadku skokowej zmiany napięcia wejściowego lub prądu obciążenia pożądane jest, aby zmiana napięcia wyjściowego była jak najmniejsza. Równocześnie czas powrotu napięcia wyjściowego, tzn. czas niezbędny do uzyskania poprzedniego ustawionego poziomu napięcia wyjściowego, powinien być jak najkrótszy. Na podstawie przeprowadzonych analiz bardzo ważny jest odpowiedni dobór zabezpieczeń nadprądowych, Przekształtnik powinien pracować w szerokim zakresie temperatur oraz nie powinien generować szumów akustycznych. Dlatego należy wybrać dolną częstotliwość przełączania wyższą od częstotliwości akustycznych. Jest oczywiste, że przy praktycznej realizacji jest niemożliwe równoczesne spełnienie tych wszystkich wymagań. Dlatego należy dążyć do rozsądnego kompromisu, aby jak najbardziej zminimalizować koszty opracowania. Dlatego bardzo ważnym krokiem podczas projektowania układu jest dokładna analiza na podstawie otrzymanych wyników symulacji. Literatura Bajorek J., Gołębiowski L., Posiewała W. (1997): Obwody elektryczne Laboratorium mikrokomputerowe, Rzeszów. Erickson R.,W., DC/DC Power Converter, Department of Electrical and Computer Engineering, University of Colorado Boulder, CO 80309-04252. 255

Szostek R. (2015): An Estimation of the Geothermal Energy Sources for Generating Electricity, Lecture Notes in Electrical Engineering 324, Analysis and Simulation of Electrical and Computer. www.teleinfo.pb.bialystok.pl/~bajko/pspice-ins.pdf. Streszczenie Celem opracowania było wykonanie symulacji przekształtnika impulsowego DC/DC obniżającego napięcie. W artykule wykonano badania symulacyjne układu otwartego i zamkniętego. Końcowym etapem było przeprowadzenie analizy wyników symulacji. Słowa kluczowe: przekształtnik impulsowy DC/DC, przekształtnik obniżający napięcie. Simulation Research of DC/DC Buck Impulse Converter Abstract The aim of this thesis was the realization of simulation of impulse converter DC/DC for voltage reduction. There were performed simulation researches of open circuit and close circuit. The final stage was the analysis of simulation results. Keywords: impulse converter DC/DC, buck converter. 256