Tranzystorowe regulatory impulsowe napięcia stałegoa.doc

1.      Wstęp teoretyczny:

Przetwornikami typu DC/DC (prąd stały – prąd stały) nazywamy układy energoelektroniczne przetwarzające nieregulowane wejściowe napięcie stałe na unipolarne napięcie wyjściowe o regulowanej wartości średniej. Ich głównym obszarem zastosowań są zasilacze impulsowe i regulowane trakcyjne napędy prądu stałego. Przekształtnikowe układy DC/DC podwyższające napięcie (boost converters) są wykorzystywane w wielu zastosowaniach. Na przykład gdy trzeba przesyłać energię pomiędzy urządzeniami o zasadniczo różnym poziomie napięć. Przypadek ten spotykany jest w układach napędowych samochodów elektrycznych itd.

Przyrządami energoelektronicznymi wykorzystywanymi w przetwornikach typu DC/DC są elementy w pełni sterowalne. Tego typu przetworniki możemy podzielić na:

·         Przetworniki DC/DC obniżające napięcie (Buck Converter)

Jest to najliczniejsza grupa przetworników DC/DC. W tych układach regulowana średnia wartość napięcia wyjściowego jest mniejsza lub co najwyżej równa wartości stałego napięcia wejściowego.

·         Przetworniki DC/DC podwyższające i obniżające napięcie (Buck-Boost, Flyback,Ćuk Converters)

Układy te łączą cechy dwu poprzednich grup, umożliwiając zarówno obniżanie jak i podwyższanie napięcia wyjściowego ponad wartość napięcia wejściowego.

·         Wielokwadratowe przetworniki DC/DC

Jest grupa układowa zapewniająca dwustronny przepływ energii elektrycznej jeżeli odbiornik jest typu RLE.

·         Transformatorowe, wysokoczęstotliwościowe przetworniki DC/DC

Stosowane są głównie w zasilaczach impulsowych małej mocy (do 1 kW). Zapewniają  one izolację galwaniczną, oraz dzięki bardzo wysokim częstotliwościom przełączania (nawet rzędu 1 MHz) wymagają zastosowania małogabarytowych transformatorów.

PRZETWORNIKI TYPU DC/DC OBNIŻAJĄCE NAPIĘCIE

Rys.1.1 Podstawowy schemat przetwornika typu DC/DC oraz przebiegi prądów i napięć.

Na rysunku powyżej przedstawiono podstawowy schemat przetwornika z obciążeniem typu RLE oraz odpowiadające mu przebiegi prądów i napięć. Regulację wartości średniej napięcia wyjściowego można uzyskać poprzez zastosowanie dwu sposobów modulacji :

a)      modulację częstotliwości (Rys.1.2)

b)     modulację szerokości impulsu (Rys.1.3)

Rys.1.2. Modulacja częstotliwości (tp – const., Ti – var.)

W metodzie modulacji częstotliwości czas załączenia klucza wyznaczający szerokość impulsu napięcia wyjściowego jest stały (tp = const), natomiast częstotliwość kluczowania jest regulowana (1/Ti = var.). Wartość średnia napięcia wyjściowego określona jest zależnością :

Uośr = Uo (tp/Ti).

Rys.1.3. Modulacja szerokości impulsu (tp – var., Ti – const.)

W metodzie modulacji szerokości impulsu częstotliwość kluczowania jest stała (1/Ti = const),  natomiast czas zamknięcia klucza jest regulowany (tp = var.). W rezultacie wartość średnia napięcia wyjściowego można opisać identyczną jak w poprzednim przypadku zależnością :

Uośr = Uo (tp/Ti).

WIELOKWADRANTOWE PRZETWORNIKI TYPU DC/DC

Na dwu poniższych rysunkach przedstawiono uproszczone schematy dwu i czterokwadrantowego przetwornika DC/DC. W obydwu przypadkach obciążenie stanowi silnik prądu stałego.

Rys.1.4. Przetwornik DC/DC nienawrotny, odzyskowy.

Rys.1.5. Przetwornik DC/DC nawrotny, odzyskowy.

2.      Zasada działania układu DC/DC typu BOOST.

Rys. 2.1. Schemat układu BOOST (1-tranzystor załączony, 2 – tranzystor wyłączony)

Układ przedstawiony na powyższym schemacie jest to układ zasilacza, który ma własności tylko podnoszenia napięcia. Zbudowany z dławika, tranzystora i diody.

Po załączeniu łącznika następuje przepływ prądu przez mostek i dławik przy . Gromadzi się energia w cewce, prąd płynie przez odbiornik. Dioda zabezpiecza kondensator wyjściowy przed zwarciem przez łącznik . Kiedy nastąpi rozwarcie łącznika prąd zasilający płynie przez diodę do obciążenia pod wpływem napięcia i napięcia . Gdy wyłączy się tranzystor maleje prąd diody, narasta prąd tranzystora, energia z cewki zostaje przekazana do kondensatora i następuje podbicie.

Napięcie wyjściowe ma pulsację, spowodowane to jest doładowywaniem kondensatora kiedy wyłączany jest tranzystor. Napięcie na wyjściu także jest zależne od współczynnika wypełnienia D który jest stosunkiem czasu działania tranzystora do czasu gdy jest on wyłączony.

Współczynnik ten wpływa na czas przez jaki ładowna jest cewka, w skutek czego również na energie jaka zostaje w nim zgromadzona i następnie oddana do odbiornika.

3rd      Schemat symulacyjny i uzyskane charakterystyki:

SCHEMAT UKŁADU ZASYMULOWANEGO W PROGRAMIE P-SPICE:

PRZEBIEGI UZYSKANE W ĆWICZENIU:

Rys. 3.1. Napięcie wejściowe i wyjściowe układu.

O tym że układ BOOST jest układem podnoszącym napięcie świadczą przebiegi napięcia wejściowego i wyjściowego. Napięcie wyjściowe (kolor zielony) jest wyższe niż napięcie wejściowe (kolor czerwony). Odchylenia napięcia wyjściowego spowodowane są  rzeczywistymi parametrami elementów użytych podczas symulacji. Poziom napięcia wyjściowego jest około dwa razy większy od napięcia stałego podanego na wejście.

Rys. 3.2. Prąd cewki w funkcji zmian sygnału kluczowania.

Na powyższym przebiegu widzimy prąd cewki. Kiedy tranzystor jest załączony prąd cewki rośnie, ponieważ gromadzi się w niej energia. Natomiast po wyłączeniu tranzystora energia cewki rozładowuje się na odbiorniku.

Rys. 3.3. Napięcie kondensatora w funkcji sygnału kluczowania.

Powyższy rysunek przedstawia napięcie odkładające się na kondensatorze (napięcie wyjściowe).. Wraz z wyłączeniem tranzystora następuje  wzrost napięcia  na kondensatorze (kondensator ładuje się do momentu załączenia tranzystora). Podczas gdy tranzystor jest załączony następuje rozładowywanie się kondensatora.

Rys. 3.4. Prąd cewki i napięcie kondensatora w funkcji sygnału kluczowania.

Kolejne przebiegi to zestawienie dwóch wcześniejszych charakterystyk czyli prądu cewki oraz napięcia na kondensatorze. Rysunek ten pokazuje przekazywanie energii zgromadzonej w indukcyjności na pojemność. W momencie gdy kondensator zaczyna się ładować następuje rozładowywanie cewki i na odwrót.

Rys. 3.5. Prąd cewki, napięcie kondensatora oraz prąd diody. (częstotliwość 2 kHz)

Na wejście zostaje podane napięcie stałe i zmieniona została częstotliwość. W związku z tym nastąpiło szybkie rozładowanie kondensatora. Przy zbyt długim rozwarciu łącznika T cewka rozładowuje się całkowicie co jest zjawiskiem niekorzystnym. Na powyższym przebiegu widać, że podczas wyłączenia tranzystora prąd cewki zostanie przejęty przez diodę, następuje wtedy ładowanie kondensatora aż do momentu w którym prąd cewki zmaleje do 0.

Od tego momentu następuje rozładowywanie kondensatora w celu podtrzymania napięcia wyjściowego- proces ten trwa do momentu ponownego wyłączenia tranzystora. Pomiędzy rozładowaniem cewki a ponownym załączeniem tranzystora prąd cewki spada do zera.

4.      Zmiana współczynnika wypełnienia  D.

Pomiary (charakterystyka napięcia wyjściowego w funkcji współczynnika wypełnienia)