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. ± 35-50 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 ()
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.
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.
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,>:
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
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.
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).
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. 2. 6. 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.