ZASILACZE IMPULSOWE impulsów sterujących δ, oblicz pojemność CEXT kondensatora, który należy dołączyć do układu 74123, aby wytwarzał on impulsy włączające klucz o czasie trwania TW. 1 W tym celu możesz skorzystać z poniższej zależności, która wiąże długość impulsu wytwarzanego przez pojedynczy przerzutnik z parametrami dołączonych do niego elementów: 1. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z działaniem dwóch podstawowych typów zasilaczy impulsowych: niestabilizowanego beztransformatorowego konwertera napięcia stałego obniżającego napięcie oraz stabilizowanego zasilacza z transformatorem impulsowym, pracującego w układzie przeciwbieżnym. Wykonujący ćwiczenie ma możliwość zapoznania się z najważniejszymi zjawiskami występującymi w zasilaczach impulsowych. Informacje na temat impulsowych zasilaczy i konwerterów napięcia stałego można znaleźć w materiałach pomocniczych do przedmiotu. T W [ns]=0,32 R[k Ω] C [ pf ] 2. Projekt 2.1. Beztransformatorowy konwerter DC-DC obniżający napięcie Oblicz oczekiwaną wartość napięcia wyjściowego beztransformatorowego konwertera napięcia stałego, posługując się następującym wzorem: U WY [V ]=40,5 X gdzie X jest numerem zespołu. Załóż, że napięcie UWE na wejściu konwertera to 15 V. Dla tego napięcia oraz dla zadanej wartości napięcia wyjściowego UWY oblicz wymagany współczynnik wypełnienia δ fali impulsów prostokątnych sterujących kluczem Q1 (wcześniej przeczytaj materiały pomocnicze do ćwiczenia i zapoznaj się z budową oraz działaniem beztransformatorowego konwertera napięcia stałego). Zastanów się, czy dla zadanej kombinacji napięć U WE i UWY trzeba koniecznie uwzględniać spadki napięć na elementach kluczujących (możesz przyjąć, że UF = 0,3-0,5 V2, a UCES 0,2 V). Uzasadnij swoje wnioski. W badanym układzie klucz (tranzystor Q1) jest sterowany sygnałem wyjściowym z generatora impulsów prostokątnych, który został zbudowany z dwóch naprzemiennie wyzwalanych przerzutników monostabilnych (oba są zawarte w układzie scalonym 74123). Czas wyłączenia klucza TD jest stały i równy 25 μs, natomiast czas jego włączenia TW można ustalić, dołączając do układu 74123 odpowiedni kondensator. Korzystając z powyższych informacji i wiedząc, jaki powinien być współczynnik wypełnienia fali 1) Autor instrukcji: mgr inż. Maciej Radtke, m.radtke@elka.pw.edu.pl 2) W układzie zastosowano diodę Schottky'ego. 1 Uwagi: - w danych katalogowych różnych producentów układu 74123 można spotkać nieco inne wzory na czas TW, dające podobne wyniki. Jednak, jako że jest to zawsze zależność przybliżona, w trakcie wykonywania ćwiczenia w laboratorium należy po prostu zmierzyć uzyskany rzeczywisty czas trwania impulsu TW i uzyskany współczynnik δ. - w module laboratoryjnym zamontowano na stałe opornik R = 10 kω, więc dobiera się tylko kondensator. - na płytce modułu DZI, przy układzie scalonym 74123, jest wmontowany na stałe kondensator o pojemności 1 nf. Kondensator o obliczonej pojemności C EXT będzie do niego dołączony równolegle. - w laboratorium nie są dostępne kondensatory o dowolnej pojemności, więc wyliczoną wartość należy zaokrąglić do najbliższej z szeregu (z uwzględnieniem wspomnianego 1 nf) i ponownie obliczyć przewidywany czas TW, współczynnik δ oraz przewidywane napięcie wyjściowe konwertera. Przyjmując, że indukcyjność cewki L1 zamontowanej w konwerterze wynosi 15 mh, oblicz przewidywaną wartość prądu krytycznego IOKR zaprojektowanego układu. Zastanów się, w jaki sposób można zmierzyć w laboratorium prąd krytyczny konwertera. Podpowiedź: w laboratorium masz możliwość mierzenia napięcia wyjściowego, możesz też obserwować kształty przebiegów napięć oraz prądów płynących przez różne elementy badanego układu (przeczytaj uważnie opis modułu DZI). Pytania pomocnicze: - powtórka z teorii obwodów: porównaj zachowanie się cewki i kondensatora wtedy, gdy są one dołączane (odłączane) do/od źródła napięcia (prądu). - co się dzieje z napięciem na wyjściu niestabilizowanego konwertera napięcia, jeśli zostanie on niedociążony (czyli obciążony prądem mniejszym niż prąd krytyczny)? Jakie jest wtedy napięcie wyjściowe konwertera obniżającego napięcie? - jak wyglądają przebiegi prądów w kluczach i w cewce, gdy konwerter jest niedociążony, obciążony prądem nominalnym, oraz przeciążony? - co może być ograniczeniem maksymalnego prądu, jaki można pobrać z wyjścia zasilacza impulsowego? Jakie mogą być skutki przeciążenia?
2.2. Transformatorowy zasilacz impulsowy w konfiguracji przeciwbieżnej Przeczytaj odpowiednie materiały pomocnicze do ćwiczenia i zapoznaj się ze sposobem działania stabilizowanego, transformatorowego zasilacza impulsowego (w konfiguracji użytej w ćwiczeniu: przeciwbieżnej) oraz z budową i sposobem działania scalonego sterownika TL494 (jego opis i dane odszukaj w katalogu). Pytania pomocnicze: - na jakiej zasadzie odbywa się stabilizacja napięcia w stabilizatorze impulsowym? - co się stanie, gdy impulsowy stabilizator napięcia zostanie obciążony prądem mniejszym od prądu krytycznego? podkrytycznego (czyli zakres niedociążenia). Czy kształt tej charakterystyki jest zgodny z Twoimi przewidywaniami? Jeśli nie, wyjaśnij dlaczego. Dla dwóch wybranych prądów obciążenia większych od prądu krytycznego zaobserwuj i narysuj, na tle sygnału kluczującego, przebiegi czasowe: a) napięcia na kolektorze tranzystora Q1, b) prądów w charakterystycznych punktach układu 3. W tym celu sygnał z wyjścia WY2 (impulsy sterujące kluczem) doprowadź do pierwszego wejścia oscyloskopu i ustaw wyzwalanie oscyloskopu z tego kanału. Pozostałe przebiegi obserwuj w drugim kanale. Do obserwacji przebiegów prądów użyj pomocniczego wzmacniacza różnicowego (patrz opis modułu DZI). Do obserwacji przebiegów napięć użyj sondy oscyloskopowej. Oceń, czy pokazane przebiegi są zgodne z przewidywaniami (np. czy odpowiadają prądowi obciążenia, dla którego zostały zaobserwowane). Jeśli nie są, postaraj się odnaleźć przyczynę rozbieżności. Jaki jest wpływ zmiany prądu obciążenia konwertera na obserwowane przebiegi? Co się w nich zmienia, a co nie? Dlaczego? 3. Pomiary Zadanie 1 - beztransformatorowy konwerter DC-DC (7 p) Do modułu DZI wmontuj kondensator o pojemności obliczonej w projekcie. Jest on niezbędny dla uruchomienia generatora sygnału przełączającego klucz tranzystorowy konwertera. 1. Uruchomienie konwertera i sprawdzenie poprawności jego działania (2,5 p) Włącz zasilanie i uruchom konwerter. W tym celu na płycie czołowej modułu DZI wciśnij przycisk KONW. Zaobserwuj oscyloskopem przebieg napięcia na kolektorze tranzystora Q1 i zmierz czasy jego włączenia i wyłączenia. Na podstawie tych pomiarów oblicz rzeczywisty współczynnik wypełnienia sygnału kluczującego. Zanotuj uzyskane wyniki w protokole. 2. Pomiar prądu krytycznego i obserwacja działania konwertera przy niedociążeniu (2,5 p) Wyznacz prąd krytyczny IOKR konwertera. Opisz zastosowany sposób wyznaczenia tego prądu (możesz to zilustrować stosownymi rysunkami). Porównaj wynik pomiaru z obliczeniami z projektu. Jeśli wystąpiła rozbieżność, postaraj się ustalić jej przyczynę. Na prąd krytyczny ma wpływ m. in. indukcyjność cewki. Poszukując rozbieżności wyniku pomiaru prądu krytycznego z wartością IOKR obliczoną teoretycznie warto więc sprawdzić, czy rzeczywista indukcyjność jest zgodna z wartością założoną w projekcie. Wyznacz więc rzeczywistą wartość indukcyjności cewki. Możesz w tym celu wykorzystać dotychczas wykonane pomiary i obserwacje lub wykonać pomiary dodatkowe. Opisz sposób, w jaki sposób indukcyjność cewki została wyznaczona. Wskazówki: Zaobserwuj kształty napięć i prądów w układzie dla obciążenia podkrytycznego. Dla jednej wybranej wartości IO < IOKR naszkicuj przebiegi prądów cewki, diody i tranzystora, a także przebieg napięcia na kolektorze tranzystora. Wszystkie rysunki wykonaj na tle sygnału kluczującego. Czy zaobserwowane przebiegi są zgodne z przewidywaniami? Jeśli nie, wyjaśnij przyczyny różnic. - na wyjściu WY2 modułu DZI możesz obserwować impulsy sterujące kluczem Q 1, a w punkcie pomiarowym PP12 przebieg napięcia na kolektorze tranzystora, Wyjaśnij, dlaczego przy niedociążeniu konwertera nachylenia przebiegów prądów są inne niż przy obciążeniu nadkrytycznym. - czy napięcie przewodzenia diody oraz napięcie nasycenia tranzystora są stałe i niezależne od prądów płynących przez te elementy? Zmierz napięcie na wyjściu konwertera dla IO = 0. Skomentuj i wyjaśnij wynik pomiaru. Ustaw prąd obciążenia nieco większy od przewidywanego w projekcie prądu krytycznego. Czy napięcie wyjściowe konwertera jest zbliżone do założonego? Postaraj się zidentyfikować przyczyny ewentualnych rozbieżności. Jeśli na tym etapie ćwiczenia uznajesz, że konwerter pracuje poprawnie, zmierz i wykreśl jego charakterystykę wyjściową UWY = f(io) w całym dostępnym zakresie prądów obciążenia. Zaznacz na niej: zakres obciążenia nadkrytycznego i zakres obciążenia 2 3) Przy wszystkich obserwacjach oscyloskopowych w tym ćwiczeniu pamiętaj o składowych stałych, a więc koniecznie włącz w oscyloskopie sprzężenie DC!
3. Praca konwertera w zakresie przeciążenia (2 p) Określ prąd obciążenia IOMAX, powyżej którego konwerter mależy uznać za przeciążony. Jakie kryterium przyjmujesz? Dlaczego? Wytłumacz zaobserwowane kształty prądów dla zakresu przeciążenia (naszkicuj odpowiednie przebiegi dla jednej wybranej wartości IO > IOMAX). Czy przeciążenie konwertera ma jakieś wyraźne odzwierciedlenie w jego charakterystyce wyjściowej? Jakie wnioski można z tego wysnuć? Zadanie dodatkowe - transformatorowy stabilizowany zasilacz impulsowy (2 p) Uwaga: zadanie dodatkowe może być wykonane dopiero po całkowitym wykonaniu zadania 1. Porównaj działanie impulsowego stabilizatora napięcia z badanym wcześniej konwerterem DC-DC (zwróć uwagę na ich charakterystyki wyjściowe, napięcia występujące na elementach obu układów, reakcje na niedociążenie i przeciążenie itp.). Skorzystaj z dotychczas zebranych danych pomiarowych (albo wykonaj dodatkowe pomiary) i określ przekładnię transformatora oraz indukcyjność jego uzwojenia pierwotnego. Oszacuj sprawność energetyczną badanego układu i porównaj ją z teoretyczną sprawnością odpowiadającego mu stabilizatora napięcia o pracy ciągłej. Wyciągnij wnioski z tego porównania. 4. Literatura Włącz układ stabilizatora impulsowego (na płycie czołowej modułu DZI wciśnij przycisk "STAB"). Wykonaj właściwe połączenia modułu DZI z oscyloskopem. Wskazówka: tak jak dotychczas, na wyjściu WY2 modułu obserwujesz przebieg napięcia sterującego głównym kluczem, na wyjściu WY1 - przebiegi z wyjścia pomocniczego wzmacniacza różnicowego służącego do obserwacji kształtów prądów w badanym układzie. BARDZO WAŻNA UWAGA: W oznaczeniach punktów pomiarowych na płytce modułu DZI jest błąd. W przypadku obserwacji przebiegu prądu drenu tranzystora MOSFET (Q 5) końcówki wejściowe wzmacniacza pomiarowego należy włączyć odwrotnie, niż to jest oznaczone na płytce: przewód czerwony należy dołączyć do szpilki oznaczonej. Zaobserwuj i sporządź takie rysunki przebiegów napięć i prądów w różnych punktach układu i dla kilku wartości prądów obciążenia, które w prosty sposób zilustrują sposób działania badanego układu4. Pokaż różne warunki pracy stabilizatora, w tym zmianę współczynnika wypełnienia fali impulsów sterujących w zależności od wartości prądu I O. Szczególną uwagę zwróć na zakres małych obciążeń, wytłumacz zachowanie się układu. Czy w badanym stabilizatorze impulsowym można odszukać prąd krytyczny? Zmierz go i uzasadnij zastosowany sposób pomiaru. Dlaczego w tym układzie wejście w zakres obciążenia podkrytycznego nie powoduje tak drastycznych skutków, jak w poprzednio badanym układzie prostego konwertera napięcia stałego? Obejrzyj przebiegi napięcia na drenie tranzystora kluczującego i na anodzie diody po stronie wtórnej transformatora. Obserwacji dokonaj dla obciążenia pod- i nadkrytycznego. Naszkicuj te przebiegi, a następnie je zinterpretuj. Zmierz (tylko zgrubnie, w kilku punktach pomiarowych) charakterystykę wyjściową UWY = f(io) stabilizatora w całym dostępnym zakresie zmian prądu obciążenia i wykreśl ją. 4) Ich liczbę i zawartość określ sam lub skonsultuj z prowadzącym. 3 1. Baranowski J., Czajkowski G.: Układy elektroniczne cz. II. Układy analogowe nieliniowe i impulsowe. WNT, Warszawa 1998, rozdz. 2 2. Kalinowski B.: Ćwiczenia laboratoryjne z Elektroniki 2, str. 70-75. OWPW, Warszawa 2000 3. Radtke M.: Materiały pomocnicze do ćwiczenia 4. Dane katalogowe układu TL494. http://focus.ti.com/docs/prod/folders/print/tl494.html 5. Ferenczi Ö.: Zasilanie układów elektronicznych. Zasilacze impulsowe, WNT, Warszawa, 1989, rozdz. 3 i 4 6. Designing Switching Voltage Regulators with TL494. Application Report, Texas Instruments (dostępny na w/w stronie WWW)
5. Opis modułu DZI Przed przystąpieniem do ćwiczenia należy zapoznać się ze schematami i opisem dwóch badanych układów zasilaczy zawartych w module DZI oraz zrozumieć działanie układów pomocniczych: źródła prądu obciążenia oraz pomiarowego wzmacniacza różnicowego. Należy także prześledzić działanie układów sterujących kluczami w obu wersjach zasilacza. Układ scalony TL494, pracujący w drugim zasilaczu, jest uniwersalnym sterownikiem specjalnie zaprojektowanym dla przetwornic impulsowych. Działa na zasadzie modulacji szerokości impulsów włączających klucz przy zachowaniu stałej częstotliwości przełączania. Należy zapoznać się z odpowiednią notą katalogową i przeanalizować działanie układu. Konwerter impulsowy PP2 Q1 PP5 PP6 PP12 74123 PP4 PP3 Masa PP1 PP13 C ext Q5 TL494 PP11 PP16 PP10 PP9 PP14 PP8 PP7 PP18 PP17 Stabilizator impulsowy Rys.1. Rozmieszczenie punktów pomiarowych na płytce drukowanej modułu DZI. Na kolejnych stronach instrukcji zamieszczono opis modułu DZI, zaczerpnięty z [2] (przy czym przy okazji uaktualniono rys.4.22 oporniki R13 - R16). Uwaga: DSN3 to stara nazwa modułu DZI. 4
5
6