Laboratorium Podstaw Elektroniki

Badanie przekształtnika obniżającego napięcie

Opracował: dr inż. Rafał Korupczyński

Zakład Gospodarki Energetycznej, Katedra Podstaw Inżynierii

1.Cel ćwiczenia.Celem ćwiczenia jest zapoznanie studentów z zasadą działania i parametrami

eksploatacyjnymi przekształtników energoelektronicznych obniżających napięcie.

2.Wstęp teoretyczny.W wielu urządzeniach elektronicznych występuje konieczność zasilania poszczególnych

układów napięciami stałymi o różnych wartościach. Stabilizatory liniowe cechują się stosunkowo niewielką sprawnością (dużymi stratami mocy) w przypadku, kiedy wartość napięcia wyjściowego jest znacznie mniejsza od wartości napięcia wejściowego. Istotne zmniejszenie strat mocy można uzyskać poprzez zastosowanie przekształtnika (stabilizatora) impulsowego. Schemat ideowy tego przekształtnika został pokazany na rys. 1.

Rys. 1. Schemat ideowy przekształtnika obniżającego napięcie.

Tranzystor Q1 pracuje jako łącznik, podając napięcie Uwe na indukcyjność L1, kondensator C1 i rezystancję obciążenia R1. Kondensator C1 pełni rolę filtru wygładzającego przebieg napięcia na rezystancji obciążenia R1. Tranzystor Q1 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=t1

T(1)

oraz częstotliwość f napięcia sterującego Us:

f = 1T (2)

Współczynnik D może przyjmować wartości z zakresu: <0,1>.

Rys.2. Przebieg napięcia sterującego Us.

Zasada działania przekształtnika obniżającego napięcie jest następująca: w stanie ustalonym (kiedy kondensator C1 posiada już pewien ładunek q), w przedziale czasu 0 < t <t1

tranzystor przewodzi (rys 3). Napięcie na kolektorze tranzystora równe jest Uwe. Na zaciskach cewki L1 napięcie wynosi Uwe - Uwy. Zgodnie z prawem Faraday’a:

uL t =LdiL

dt(3)

iL t =1L∫0

t 1

u Lt dt (4)

Ponieważ:

uL=const=U we – U wy (5)

to:

iL t =U we – U wy

L∗tI 0 (6)

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 = t1 (rys. 4):

I Lmax=U we –U wy

L∗t1 I 0

(7)

Rys. 3. Schemat układu przekształtnika dla 0 < t < t1.

Rys. 4. Przebiegi napięć i prądów w układzie przekształtnika obniżającego napięcie.

Prąd kolektora (emitera) tranzystora Q1, równy jest prądowi IL1 (rys. 4). Dioda D1 jest spolaryzowana zaporowo (dodatnie napięcie wejściowe na katodzie).

W chwili czasowej t1 tranzystor Q1 zostaje zatkany. Tym 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 znak1 tak, aby podtrzymać przepływ prądu Il. Potencjał katody

1 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.

diody D1 jest równy 0 V (napięcie Uwe zostało odłączone) dioda zostaje spolaryzowana w kierunku przewodzenia.

Rys. 5. Schemat układu przekształtnika obniżającego napięcie w przedziale czasu t1 < t < T.

Wartość napięcia na L1 wynosi:

U L=0 – U wy=−U wy (8)

Zgodnie z prawem Faraday’a (3):

iL t =−U wy

L⋅tiL t1 (9)

Prąd cewki IL1 a tym samym prąd diody D1 maleje liniowo (rys. 4).Dla t = T IL osiąga wartość minimalną:

iLmin=−U wy

L⋅T iLt 1 (10)

Energia zgromadzona w cewce jest opisana zależnością:

E=12

L⋅I L2 (11)

Zgodnie z zasadą zachowania energii, w stanie ustalonym, energia zgromadzona w cewce w chwili t=0 jest równa energii zgromadzonej w chwili t = T. Zatem dla L1 = const (rys.3):

I L t=0=I L T (12)

Korzystając z równania (3) prąd IL1:

1L

duL=dI L (13)

Obie strony równania (13) całkujemy w granicach <0,T>:

1L∫0

T

u Ldt=i L T −i L 0=0 (14)

∫0

T

u L dt= 1T ∫0

T

u L dt=0 (15)

Wartość średnia napięcia na indukcyjności w okresie jest równa zeru.Dla przekształtnika obniżającego:

∫0

t 1

u L dt∫t 1

T

u Ldt=0 (16)

W przedziale czasu <0,t1>: UL = Uwe - Uwy, w przedziale czasu <t1,T>: UL = 0 -Uwy= -Uwy:

U we−U wy⋅t1=U wyT−t 1 (17)

Zatem:

U wy=t 1

TU we

(18)

Biorąc pod uwagę (1)

U wy=DU we(19)

Wartość napięcia wyjściowego przekształtnika obniżającego jest zawsze mniejsza (lub co najwyżej równa) wartości napięcia wejściowego.

Zależność (18) i przebiegi pokazane na rys. 4 charakteryzują działanie układu dla tzw. ciągłego trybu pracy. W tym trybie prąd w indukcyjności L1 ma wartość zawsze większą od zera.

Jeżeli przekształtnik zostanie obciążony stosunkowo dużą rezystancją (R1 na rys. 1), to układ będzie pracował w tzw. trybie nieciągłym. W takim przypadku prąd w cewce L1 będzie osiągał wartość zerową w pewnym przedziale czasu t2 do T (rys. 6). W takim trybie pracy charakterystyka Uwy = f(Uwe) nie jest funkcją liniową:

U wy=U we

12Iwy⋅L1

D2T U we

(20)

3.Opis płytki prototypowej.Przekształtnik obniżający napięcie został zmontowany na uniwersalnej płytce drukowanej.

Układ sterowania zbudowano w oparciu o układ scalony SG3524 (rys. 7). Realizuje on poprzez elementy R2 i RV2 pomiar napięcia wyjściowego, dostosowując wartość współczynnika wypełniania impulsu do wartości tego napięcia. Tym samym otrzymuje się stabilizację napięcia wyjściowego przy zmianach obciążenia i napięcia zasilającego. Potencjometr RV2 służy do ustawiania wartości napięcia wyjściowego, a potencjometr RV1 do ustawiania częstotliwości pracy klucza tranzystorowego z tranzystorem Q1 typu TIP 32B. W celu polepszenia warunków chłodzenia tranzystora został on umieszczony na radiatorze. Kondensator C1 pełni rolę filtru przeciwzakłóceniowego od strony napięcia zasilania Uwe, dioda D1 zabezpiecza przekształtnik przez uszkodzeniem na skutek zmiany polaryzacji napięcia wejściowego.

Rys. 6. Przebiegi napięć i prądów w nieciągłym trybie pracy przekształtnika obniżającego.

4.Przebieg ćwiczenia laboratoryjnego. e)Za pomocą multimetru ustawionego na pomiar rezystancji z sygnałem dźwiękowym,

zlokalizować na płytce prototypowej punkty pomiarowe P2 – P4, P7, P8, oraz zaciski do przyłączenia napięcia wejściowego i wyjściowego P1, P9 (rys. 7).

f)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.

g)Do zacisków wejściowych płytki prototypowej dołączyć zasilacz napięcia stałego. h)Po sprawdzeniu układu połączeń przez prowadzącego załączyć zasilacz i ustawić

napięcie (o wartości podanej przez prowadzącego).

Rys. 7. Schemat ideowy płytki prototypowej.

i)Obserwując na oscyloskopie przebieg napięcia oscylatora (punkt pomiarowy P4 OSC_OUT) ustawić częstotliwość pracy przekształtnika (potencjometr RV1) zgodnie ze wskazówkami prowadzącego. Ustawioną wartość zanotować w protokole pomiarów.

j)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: t1, T, Iwe, Uwy, Iwy. Na oscyloskopie obserwować przebiegi napięcia bazy tranzystora Q1 (p.p. P7 Ube) oraz przebieg tętnień napięcia wyjściowego (oscyloskop: sprzężenie AC, p.p. P8 Uwy). Dla trzech różnych wartości współczynnika D naszkicować (zarejestrować) obserwowane przebiegi. W protokole pomiarowym odnotować tryb pracy przekształtnika (ciągły, nieciągły).

k)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 =1 A. W protokole zanotować wyniki pomiarów: t1, T, Iwe, Uwy, Iwy. Na oscyloskopie obserwować przebiegi napięcia bazy tranzystora Q1 (p.p. P7 Ube) oraz przebieg tętnień napięcia wyjściowego (sprzężenie AC, p.p. P8 Uwy). Dla trzech różnych wartości Iwy naszkicować (zarejestrować) obserwowane przebiegi. W protokole pomiarowym odnotować tryb pracy przekształtnika (ciągły, nieciągły).

l)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 Iwe = 1 A. W protokole zanotować wyniki pomiarów: t1, T, Uwe, Iwe, Uwy, Iwy. Na oscyloskopie obserwować przebiegi napięcia bazy tranzystora Q1 (p.p. P7 Ube) oraz przebieg tętnień napięcia wyjściowego (sprzężenie AC, p.p. P8 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.

f). 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. g).

c)Narysować charakterystykę przejściową przekształtnika, Narysować charakterystyki Uwy= f(Uwe), D = f(Uwe) (p. 4 lit. h).

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, 1989, 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.