POLITECHNIKA BIAŁOSTOCKA
WYDZIAŁ ELEKTRYCZNY
KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI I NAPĘDÓW ELEKTRYCZNYCH
BADANIE PRZEKSZTAŁTNIKA PRZECIWBIEŻNEGO
Białystok, 2006
POLITECHNIKA BIAŁOSTOCKA
WYDZIAŁ ELEKTRYCZNY
KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI I NAPĘDÓW ELEKTRYCZNYCH
BADANIE PRZEKSZTAŁTNIKA PRZECIWBIEŻNEGO
Białystok, 2006
Ogólne zasady bezpieczeństwa
Przed przystąpieniem do zajęć należy zapoznać się z instrukcją dydaktyczną do
stanowiska laboratoryjnego.
Dokonać oględzin urządzeń i przyrządów używanych w ćwiczeniu,
a o zauważonych nieprawidłowościach bezzwłocznie powiadomić
prowadzącego.
Zabrania się samodzielnego załączania stanowiska bez zgody prowadzącego.
Zmian nastaw parametrów lub konfiguracji, możliwych przy użyciu
dostępnych manipulatorów (potencjometrów, przełączników), należy dokonywać po
przeanalizowaniu skutków takich działań.
Zmian konfiguracji obwodów elektrycznych, możliwych jedynie poprzez
zmiany połączeń przewodów, należy dokonywać za zgodą prowadzącego po uprzednim
wyłączeniu zasilania stanowiska.
Po załączeniu stanowiska wykonywanie przełączeń (np. wymiana
przyrządu) w układzie znajdującym się pod napięciem jest niedozwolone.
W w/w stanowisku dostępne są części czynne obwodu elektrycznego
o napięciu przekraczającym napięcie bezpieczne, dlatego przed uruchomieniem należy
zachować odpowiednie oddalenie od tych części czynnych w celu uniknięcia porażenia
prądem elektrycznym.
Stosowanie sposobów sterowania, ustawień lub procedur innych niż opisane w
instrukcji może spowodować nieprzewidziane zachowanie obiektu sterowanego a nawet
uszkodzenie stanowiska.
Nie należy podłączać urządzeń nie przeznaczonych do współpracy z tym
stanowiskiem laboratoryjnym.
Przekroczenie dopuszczalnych parametrów prądów, napięć sygnałów
sterujących może doprowadzić do przegrzania się niektórych podzespołów, pożaru lub
porażenia prądem.
W przypadku pojawienia się symptomów nieprawidłowego działania (np. swąd
spalenizny) natychmiast należy wyłączyć stanowisko i odłączyć przewód zasilający.
Demontaż osłon stanowiska oraz wszelkie naprawy i czynności serwisowe,
oprócz opisanych w instrukcji, powinny być wykonywane przez wykwalifikowany
personel po wyłączeniu stanowiska.
Należy stosować tylko bezpieczniki o parametrach nominalnych podanych w
instrukcji lub na obudowie urządzenia.
Urządzenie powinno być czyszczone przy użyciu suchej i miękkiej szmatki.
Nie należy stosować do tych celów rozpuszczalników.
Podczas korzystania z aparatury laboratoryjnej (oscyloskopy, generatory,
zasilacze itp.) należy przestrzegać ogólnych zasad bezpieczeństwa tj.:
- Do zasilania przyrządu należy stosować tylko kable zalecane do danego wyrobu.
- Nie należy podłączać lub odłączać sond i przewodów pomiarowych, gdy są one dołączone
do źródła napięcia.
2
- Przyrząd powinien być połączony z uziemieniem przez przewód ochronny w kablu
zasilającym. Aby uniknąć porażenia przewód ten powinien być podłączony do przewodu
ochronnego sieci.
- Przewód uziemiający sondy należy podłączać tylko do uziemienia ochronnego. Nie należy
podłączać go do punktów o wyższym potencjale.
- Aby uniknąć porażenia prądem podczas używania sondy, należy trzymać palce nad
pierścieniem zabezpieczającym. Nie wolno dotykać metalowych części grotu, gdy sonda
jest podłączona do źródła napięcia.
- Nie dotykać końcówek przewodów łączeniowych w trakcie wykonywania pomiarów.
3
1. PODSTAWOWE WIADOMOŚCI TEORETYCZNE
Przekształtnik przeciwbieżny
Przekształtnik przeciwbieżny nazywany czasem przekształtnikiem dwutaktowym
a w terminologii angielskiej flyback converter jest podstawowym układem przekształtnika
DC/DC z izolacją galwaniczną. Schemat układu przedstawiony jest na rysunku 1.
Rys.1. Schemat przetwornicy przeciwbieżnej (dwutaktowej)
Zastosowany w układzie transformator spełnia rolę dławika, który w pierwszym takcie,
gdy tranzystor jest w stanie przewodzenia, gromadzi energię, zaś w drugim takcie, gdy
tranzystor jest w stanie blokowania, przekazuje tę energię do obciążenia przez diodę.
Występujący kondensator
F
C
pełni rolę filtru i gromadzi energię. W zależności od
obciążenia układ może pracować w trybie pracy ciągłej lub nieciągłej.
a. Tryb pracy nieciągłej
Charakterystyczne przebiegi napięć i prądów przekształtnika w trybie pracy nieciągłej
przedstawione są na rysunku 2.
Rys.2. Charakterystyczne przebiegi czasowe w układzie z rys.1 w trybie pracy nieciągłej;
- napięcie sterujące tranzystorem,
BD
V
D
D
T
T
i
V
i
V
−
,
- napięcia i prądy tranzystora i diody
4
W pierwszym takcie (czas
0
1
t
t
≤
≤
) tranzystor jest wysterowany i przewodzi prąd.
Jeżeli pominiemy rozproszenie w transformatorze i założymy jego indukcyjność jako
, to
płynący prąd określony jest następującym równaniem:
µ
L
t
L
V
i
s
T
⋅
=
µ
. (1)
W czasie
t
prąd w tranzystorze narośnie do wartości
1
T
I
∆
równej:
1
t
L
V
I
s
T
⋅
=
µ
∆
. (2)
W uzwojeniu wtórnym transformatora zaindukuje się napięcie równe
, gdzie
s
T
V
k
⋅
1
2
z
z
k
T
=
- przekładnia transformatora. Stąd dioda jest polaryzowana wstecznie napięciem
równym: k
.
0
V
V
s
T
+
⋅
W takcie drugim tranzystor pozostaje wyłączony a energia zgromadzona
w indukcyjności głównej transformatora
zostanie przekazana do obciążenia przez
diodę . Ponieważ ten sam strumień wywołuje napięcie pierwotne i wtórne, prąd
początkowy w diodzie jest równy prądowi końcowemu w tranzystorze z uwzględnieniem
przekładni
µ
L
D
T
k
.
Stąd:
t
L
k
V
k
I
i
T
T
T
D
µ
∆
2
0
−
=
,
2
0
t
t
≤
≤
(3)
gdzie:
µ
L
k
T
2
- indukcyjność główna przeniesiona na wtórną stronę transformatora.
Przy przewodzącej diodzie napięcie na wtórnej stronie transformatora wynosi
V , stąd
na stronie pierwotnej pozostaje równe
0
T
k
V
0
, a napięcie na wyłączonym tranzystorze jest sumą
T
s
k
V
V
0
+
.
Po czasie od momentu wyłączenia tranzystora prąd w diodzie uzyskuje zerową
wartość, stąd:
2
t
D
2
2
0
t
L
k
V
k
I
T
T
T
µ
∆
=
. (4)
Biorąc pod uwagę zależności (2) i (4) otrzymamy zależność pomiędzy napięciem
wyjściowym a zasilającym:
2
1
0
t
t
V
k
V
s
T
⋅
=
(5)
.
Przekształtnik ten reprezentuje sobą typową strukturę przekształtnika obniżająco–
podwyższającego.
5
W stanie pracy ustalonej stały prąd obciążenia
równy jest średniej wartości prądu
płynącego poprzez diodę :
0
I
D
2
2
0
0
2
1
1
1
t
k
I
T
dt
i
T
I
T
T
t
D
∆
∫
=
=
. (6)
Wynika stąd zależność pomiędzy wielkością czasu
t
a wartością prądu obciążenia
2
0
0
0
R
V
I
=
:
T
T
I
R
k
T
V
t
∆
0
0
2
2
⋅
=
. (7)
Podstawiając zależność (7) do równania (5) z uwzględnieniem zależności (2)
otrzymamy ostatecznie równanie charakterystyki regulacyjnej:
s
V
f
L
R
V
δ
µ
2
0
0
=
, (8)
gdzie:
T
f
1
= - częstotliwość sterowania;
T
t
1
=
δ
- wypełnienie.
W pozostałym przedziale czasu
(
)
2
1
t
t
T
+
−
energia do odbiornika dostarczana jest
przez kondensator
F
C
. Stąd musimy dobrać odpowiednią jego wartość, aby zapewnić
dopuszczalne wahania napięcia
. W tym czasie napięcie na tranzystorze ma wartość
,
a napięcie na diodzie wartość V jako, że w uzwojeniach transformatora nic się nie indukuje.
0
V
0
s
V
W trybie pracy nieciągłej tranzystor jest załączany przy zerowym prądzie, zaś
wyłączany w warunkach twardych przy prądzie niezerowym. Stąd stratami istotnymi są
straty w procesie wyłączania tranzystora, a te w przypadku tranzystora typu MOSFET są
zmniejszone z powodu dużych pojemności pasożytniczych.
Zakres pracy nieciągłej ograniczony jest warunkiem:
(
)
T
t
t
<
+
2
1
. (9)
Biorąc kolejno pod uwagę równania: (9), (7), (2) oraz (8) otrzymamy warunek na pracę
układu przy prądzie nieciągłym w następującej postaci:
0
2
1
R
fL
µ
η
δ
−
<
. (10)
Oznaczając stosunek indukcyjności transformatora
do rezystancji obciążenia
jako stałą
µ
L
0
R
0
R
L
µ
τ
=
możemy ostatnie zależności przepisać w postaci:
δ
τ
2
0
T
V
V
K
s
u
=
=
(11)
T
τ
δ
2
1
−
<
(12)
Zmianę wzmocnienia układu
w funkcji zmienności
u
K
T
τ
, przy stałych wartościach
δ , przedstawione są na rysunku 3.
6
Rys. 3. Zależność współczynnika wzmocnienia
w funkcji
u
K
T
τ
przy stałych wartościach
δ w zakresie przewodzenia nieciągłego
b. Tryb pracy ciągłej
Przy pracy ciągłej prąd w indukcyjności głównej transformatora
pozostaje większy
od zera i zmienia się pomiędzy wartością minimalną i maksymalną, jak pokazują to
charakterystyczne przebiegi na rysunku 4.
µ
L
Rys.4. Przebiegi czasowe prądu tranzystora i diody charakterystyczne dla ciągłego trybu
pracy
W stanie przewodzenia tranzystora jego prąd opisany jest równaniem:
t
L
V
I
i
s
T
T
⋅
+
=
µ
min
. (13)
Stąd w chwili wyłączania tranzystora
t
jego prąd wynosi:
1
1
min
max
t
L
V
I
I
s
T
T
⋅
+
=
µ
. (14)
7
Maksymalny prąd w diodzie w chwili wyłączania tranzystora będzie stąd określony
równością:
1
min
max
max
t
L
k
V
k
I
k
I
I
T
s
T
T
T
T
D
⋅
+
=
=
µ
. (15)
W stanie przewodzenia diody jej prąd można określić następującą zależnością:
(
1
2
0
max
t
t
L
k
V
I
i
T
D
D
−
⋅
−
=
µ
)
. (16)
W czasie kolejnego załączania tranzystora prąd w diodzie wyniesie:
(
1
2
0
max
min
t
T
L
k
V
I
I
T
D
D
−
⋅
−
=
µ
)
. (17)
W stanie pracy ustalonej możemy porównać prądy w diodzie i tranzystorze, stąd:
T
D
T
k
I
I
⋅
=
min
min
. (18)
Biorąc kolejno pod uwagę zależności (18), (17) oraz (15) można wyznaczyć zależność
na wartość średnią napięcia wyjściowego w postaci:
1
1
0
t
T
t
V
k
V
s
T
−
=
. (19)
Stąd współczynnik wzmocnienia układu przy przewodzeniu ciągłym opisuje równość
typowa dla układu podwyższająco - obniżającego napięcie
:
δ
δ
−
=
=
1
0
T
s
u
k
V
V
K
(20)
8
Opis stanowiska laboratoryjnego
Na rysunku 6 pokazano widok płyty czołowej stanowiska laboratoryjnego. Składa się
ona z trzech pól. Lewe z nich zawiera układ sterowania, prawe - część siłową
przekształtników, i środkowe z elementami związanymi z zasilaniem. Są tu trzy zaciski,
oznaczone symbolem
2
E
, na których pojawia się napięcie z zewnętrznego, symetrycznego
zasilacza o regulowanym płynnie napięciu w zakresie 0
±30V (zasilacz ten dołącza się do
kabla wyprowadzonego na tylnej ścianie stanowiska) oraz przyciski sterujące. Wyłącznikiem
ZS
załącza się obwód sterowania i przygotowuje do uruchomienia obwód główny, który
można załączyć i wyłączyć odpowiednio przyciskami Z i W.
Po prawej stornie płyty czołowej umieszczono elementy, z których łączy się w trakcie
badań różne typy przekształtników. Są tu cztery tranzystory MOSFET typu IRFP 460, z
których każdy ma wyprowadzony dren, źródło i bramkę. Tranzystory są wewnętrznie
dołączone do obwodu sterowania. Łączy się tylko źródło i dren tranzystora według zadanej
konfiguracji przekształtnika. Zacisk bramki tranzystora służy tylko do obserwacji sygnału
sterującego. Sygnał ten należy oglądać w odniesieniu do masy elektroniki. Struktura
tranzystora typu IRFP 460 zawiera zintegrowaną diodę, zwaną diodą podłożową. Dioda ta ma
bardzo złe właściwości dynamiczne. Można ją wyeliminować stosując odpowiednio
połączone diody szybkie typu HFA25TB60. Na pulpicie oznaczone są jako D
5
÷ D
16
.
Oprócz elementów półprzewodnikowych na płycie czołowej stanowiska umieszczono
sześć bipolarnych kondensatorów o pojemnościach: 57nF (C
1
), 47nF (C
5
i C
6
) i 10nF (C
2
, C
3
i C
4
). Kondensatory C
7
, C
8
i C
9
to kondensatory elektrolityczne o pojemności odpowiednio
47
µ
F, 100
µ
F i 220
µ
F. Ponadto na płycie czołowej stanowiska zainstalowano cztery dławiki
powietrzne L
1
÷ L
4
o indukcyjności ok. 10
µ
H oraz dwa dławiki ferromagnetyczne L
5
i L
6
.
Obciążeniem budowanych przekształtników mogą być wbudowane oporniki R
1
i R
2
o
rezystancji 16
Ω
..
Wszystkie obserwacje przebiegów napięć i prądów mogą być dokonywane za pomocą
oscyloskopu. W celu ułatwienia obserwacji zamontowane zostały przetworniki typu LEM
obserwacji prądów (PI
1
÷ PI
5
).
Prawą stronę pulpitu stanowiska laboratoryjnego zajmuje modulator, generujący
impulsy sterujące tranzystorami. Jest on wewnętrznie połączony z tranzystorami. Modulator
jest układem uniwersalnym i może być stosowany do sterowania różnymi typami
przekształtników. Dobór układu sterowania do przekształtnika odbywa się poprzez
wstawienie do gniazda umieszczonego obok napisu „UKŁAD MODULATORA”
9
odpowiednio spreparowanego wtyku (klucza) oznaczonego kolejną liczbą. Wtyk ten jest
dostępny u prowadzącego zajęcia. Od gniazda umieszczonego obok napisu „UKŁAD
MODULATORA”
rozchodzą się w kierunku poszczególnych pól układu sterowania i
potencjometrów numerowane strzałki. Włożenie wtyku z numerem 1 oznacza, że uaktywni
się pole z potencjometrem f
T
, do regulacji częstotliwości napięcia wyjściowego. Wstawienie
wtyku z innym numerem spowoduje zmianę rodzaju sterowania i uaktywnienie się innych
pól.
t
w
t
i
T
f
T
f
m
in
f
m
a
x
f
1
A
k
∆
A
O
fs
t
O
fs
t
P
o
zi
o
m
k
om
pa
ra
cj
i
sy
gn
ał
u
w
u
kł
ad
zi
e
re
gu
la
cj
i
je
d
no
bi
e
gu
no
w
e
j
je
d
no
ga
łę
zi
o
w
e
j
t
i
k
2
4
3
5
5
a
5
b
5b
6
a
6
7
8
9
1
U
kł
ad
m
o
d
u
la
to
ra
kT
i u
i
u
E_ 2
E_ 2
P
I
Z
W
Z
S
4
3
2
1
P
N
1
P
P
1
P
P
2
P
P
3
P
R
Z
E
K
S
Z
T
A
Ł
T
N
IK
I
IM
P
U
L
S
O
W
E
C
3
C
4
D
9
D
1
0
D
11
D
1
2
P
N
2
C
7
C
8
C
9
P
P
4
P
P
5
D
16
R
1
C
5
L1
L
2
L3
L5
L
6
L
4
C
6
R
2
D
1
3
D
14
D
1
5
T
R
1
D
5
D
6
D
8
D
7
C
2
C
1
O
fs
t
Rys. 6.
Widok płyty czołowej stanowiska
10
3. PROGRAM ĆWICZENIA
Zastosować klucz zwierający, który zapewnia sterowanie PWM. Badania prowadzić przy
napięciu zasilającym
10
=
z
V
V oraz częstotliwości 10 kHz. Jako pojemność filtrującą
wykorzystać kondensator C7 (10
µF), jako transformator – transformator ferrytowy
1. Wyznaczyć stromość przyrostu prądu pierwotnego transformatora oraz na podstawie
zależności (2) wyznaczyć jego indukcyjność
.
µ
L
2. Obserwując przebieg prądu pierwotnego wyznaczyć
gr
δ
dla następujących wielkości
obciążenia:
(10
Ω);
(23,7
Ω);
1
R
2
R
2
1
R
R
+
,
. Narysować wykres
2
1
// R
R
=
T
f
gr
τ
δ
.
3. Za pomocą pomiarów wyznaczyć charakterystykę regulacyjną układu
( )
δ
f
V
=
0
dla
wybranej rezystancji obciążenia.
4. Zarejestrować charakterystyczne przebiegi czasowe napięć i prądów w obszarze pracy
nieciągłej oraz w obszarze pracy ciągłej dla wybranej rezystancji obciążenia.
5. Zarejestrować zmiany prądu i napięcia tranzystora w procesach załączania i wyłączania.
6. Na podstawie zależności teoretycznych wyznaczyć charakterystyki z punktów: 2 oraz 3.
7. Wyciągnąć wnioski z pomiarów i obliczeń.
5. LITERATURA
1. Baranowski J., Czajkowski G.: Układy elektroniczne. Cz. II. Układy analogowe
nieliniowe i impulsowe. WNT.1994.
2. Praca zbiorowa pod redakcją J. Baranowskiego: Zbiór zadań z układów
elektronicznych nieliniowych i impulsowych. WNT. 1997.
Instrukcję opracowali:
prof. dr hab. inż. Tadeusz Citko
dr inż. Stanisław Jałbrzykowski
Opracowanie graficzne:
inż. Aleksandra Matulewicz
11