Politechnika Białostocka

Katedra Energoelektroniki i Napędu Elektrycznego

BADANIE ZASILACZY IMPULSOWYCH

Białystok 2009

A Bogdan KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI I

NAPĘDÓW ELEKTRYCZNYCH

Strona 2

Zastrzeżenia

Materiały zawarte w instrukcji przeznaczone są wyłącznie do użytku wewnętrznego w

KEiNE PB. Ich rozpowszechniane w jakiejkolwiek postaci na zewnątrz KEiNE PB stanowi naru-
szenie praw własności oraz praw autorskich i jako takie jest karalne. Schematy i opracowania
zawarte w instrukcji przeznaczone są wyłącznie do celów edukacyjnych w KEiNE PB. Wszelkie
inne ich wykorzystanie wymaga zgody ich twórców. Żadna częśd jak i całośd materiałów za-
wartych w instrukcji nie może byd powielana i rozpowszechniania lub dalej rozpowszechnia-
na w jakiejkolwiek formie i w jakikolwiek sposób (w tym także elektroniczny lub mechaniczny
lub inny albo na wszelkich polach eksploatacji) włącznie z kopiowaniem, szeroko pojętą cy-
fryzacją lub kopiowaniem, w tym także zamieszczaniem w Internecie bez pisemnej zgody ich
twórców.

Ogólne zasady bezpieczeństwa



Przed

przystąpieniem do zajęć należy zapoznać się z instrukcją dydaktyczną do stanowi-

ska laboratoryjnego.



Dokonać oględzin urządzeń i przyrządów używanych w ćwiczeniu, a o zauważonych nie-
prawidłowościach bezzwłocznie powiadomić prowadzącego.



Zabrania się samodzielnego załączania stanowiska bez zgody prowadzącego.



Zmian nastaw parametrów lub konfiguracji, możliwych przy użyciu dostępnych manipulato-
rów (potencjometrów, przełączników), należy dokonywać po przeanalizowaniu skutków ta-
kich działań.



Zmian konfiguracji o

bwodów 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 przekra-
czającym napięcie bezpieczne, dlatego przed uruchomieniem należy zachować odpowied-
nie 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 uszkodze-
nie 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 opisa-
nych 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 sto-
sować do tych celów rozpuszczalników.

A Bogdan KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI I

NAPĘDÓW ELEKTRYCZNYCH

Strona 3



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 dołączo-

ne do źródła napięcia.

- Przyrząd powinien być połączony z uziemieniem przez przewód ochronny w kablu zasila-

jącym. 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 pier-

ścieniem zabezpieczającym. Nie wolno dotykać metalowych części grotu, gdy sonda jest
podłączona do źródła napięcia

Nie dotykać końcówek przewodów łączeniowych w trakcie wykonywania pomiarów.

Uwagi szczególne odnośnie pracy przy stanowisku

Stanowisko laboratoryjne

zasilane jest z zasilacza o zakresie napięć bezpiecznych. Nie

stwarza więc bezpośredniego zagrożenia zdrowia lub życia osób je obsługujących. Pomimo
to, uruchomienie układu może być dokonane tylko i wyłącznie na wyraźne polecenie prowa-
dzącego zajęcia.
Nie

dopuszczalne jest wykonywanie czynności łączeniowych przy załączonym którymkolwiek

z elementów stanowiska laboratoryjnego. Mimo, że wszystkie napięcia na łączach mają war-
tości niższe od 24V, to w wyniku przełączeń „pod napięciem” może nastąpić uszkodzenie
podzespołów stanowiska.

Podczas pomiarów oscyloskopem wielokanałowym należy zwrócić uwagę na wła-

ściwe przyłączenie masy sond oscyloskopowych by nie spowodować zwarcia w bada-
nych układach.

Niedopuszczalne jest kasowanie, kopiowanie lub wprowadzanie własnych programów

komputerowych nie związanych bezpośrednio z wykonywanym ćwiczeniem, bez zgody pro-
wadzącego zajęcia. Zakończenie ćwiczenia należy zgłosić prowadzącemu ćwiczenia. Po
sprawdzeniu przez prowadzącego należy dokonać czynności porządkowych na stanowi-
sku laboratoryjnym,

a uszkodzone w trakcie ćwiczenia przewody - naprawić

A Bogdan KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI I

NAPĘDÓW ELEKTRYCZNYCH

Strona 4

1. Podstawowe wiadomości teoretyczne

1.1 Wiadomości ogólne

Kompensacyjne przekształtniki napięcia stałego na stałe z regulacją impulsową, w

odróżnieniu od parametrycznych i kompensacyjnych stabilizatorów napięcia z regulacją
ciągła mają mniejszą moc traconą na elemencie regulacyjnym, większą sprawność,
mniejszą masę i rozmiary. Zastosowanie pracy impulsowej elementów półprzewodniko-
wych jest korzystne ze względu na małą wrażliwość układu na rozrzut parametrów oraz
zmiany tych parametrów w czasie i pod wpływem temperatury. Do istotnych wad ograni-
czających zakres stosowania przekształtników napięcia stałego na stałe należą dość duża
złożoność układów, większy poziom tętnień napięcia wyjściowego, szumów i zakłóceń,
gorsze charakterystyki dynamiczne.

Zasada działania przekształtnika napięcia stałego na stałe polega na przetworzeniu

stałego napięcia źródła pierwotnego w ciąg okresowych, jednokierunkowych impulsów
prostokątnych. Obwód ujemnego sprzężenia zwrotnego oddziaływuje jedynie na parame-
try czasowe tych impulsów - czas złączenia łącznika tranzystorowego t

1

i czas wyłącze-

nia łącznika tranzystorowego t

2

. Na wyjściu przekształtnika napięcia stałego na stałe jest

demodulator, który przekształca impulsy ponownie na napięcie stałe. Zwykle tym ukła-
dem jest indukcyjno-pojemnościowy filtr wygładzający.
Wartość średnią napięcia wyjściowego przekształtnika napięcia stałego na stałe można
przeprowadzić następującymi metodami:



poprzez zmianę napięcia wejściowego przy niezmienionym sposobie sterowania łącz-
nikiem przekształtnika,



przez zmianę impulsów sterujących przy stałym napięciu wejściowym,



kombinację obu metod.

Najczęściej przekształtniki napięcia stałego na stałe regulowane są według drugiej

metody, przy czym zmiany napięcia wejściowego traktowane są jako zakłócenie. Wyko-
rzystywane są następujące możliwości:



zmiana czasu trwania czasu załączenia lub wyłączenia elementu regulacyjnego przy
stałej częstotliwości przełączania (modulacja szerokości impulsów -MSI),



zmiana częstotliwości przełączania elementu regulacyjnego przy stałym czasie trwania
impulsów załączających lub wyłączających go (przekształtniki oparte na tej metodzie
nazywane są stabilizatorami z regulacją dwupołożeniową),



sposób kombinowany - modulacja częstotliwości i szerokości impulsów.

W impulsowych przekształtniki napięcia stałego na stałe, z modulacją szerokości

impulsów, częstotliwość komutacji elementu regulacyjnego zależy od sygnału wewnętrz-
nego generatora. Stałość częstotliwości modulacji jest bardzo istotną zaletą takiego ukła-
du, gdyż pozwala na optymalny dobór elementów filtru wygładzającego, co ma istotny
wpływ na minimalizację masy i wymiarów przekształtnika.

Impulsowe przekształtniki napięcia stałego na stałe z dwupołożeniowym regulato-

rem napięcia zawierają w obwodzie ujemnego sprzężenia zwrotnego układ przełączający
o dwóch progach, który steruje pracą elementu przełączającego. Taką charakterystykę ma
przerzutnik Schmitta. W czasie pracy na wejściu układu przekaźnikowego odbywa się
porównanie napięcia wyjściowego przekształtnika z napięciem zadanym. W zależności

A Bogdan KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI I

NAPĘDÓW ELEKTRYCZNYCH

Strona 5

od doprowadzonego do wejścia sygnału błędu układ przekaźnikowy może być w jednym
z dwóch możliwych stanów (załączonym lub wyłączonym) . Wzrost napięcia wyjściowe-
go przekształtnika (niezależnie od źródła przyczyn) będzie trwał dotąd, aż napięcie błędu
osiągnie górny próg zadziałania przerzutnika. W tej chwili nastąpi rozwarcie elementu
regulacyjnego i napięcie wyjściowe zacznie maleć. Zmniejszanie napięcia skończy się w
chwili, gdy napięcie błędu osiągnie dolny próg zadziałania przerzutnika. Element regula-
cyjny ponownie zewrze obwód zasilania przekształtnika, napięcie wyjściowe ponownie
zacznie wzrastać i opisany proces regulacji powtórzy się. Im większa jest szybkość zmian
napięcia wyjściowego i węższa szerokość pętli histerezy przerzutnik Schmitta tym więk-
sza jest częstotliwość przełączeń przekształtnika. Silna zależność częstotliwości przełą-
czania przekształtnika od wahań napięcia źródła zasilającego i większa niż w układach z
modulacją szerokości impulsów amplituda tętnień napięcia wyjściowego należą do pod-
stawowych wad przekształtników z elementem przekaźnikowym w torze sprzężenia
zwrotnego. Składowa zmienna napięcia wyjściowego zawiera wyższe harmoniczne o
szerokim widmie zmieniającym się w czasie pracy. Zmienna częstotliwość pracy unie-
możliwia praktycznie możliwość optymalnego doboru parametrów filtru. Gorsza jest tak-
że stabilność napięcia wyjściowego przekształtnika jest gorsza, gdyż w torze sprzężenia
zwrotnego istniej element ze strefą nieczułości. Do zalet należy większa szybkość pracy,
gdyż w tym przypadku napięcie wyjściowe oddziałuje przez obwód sprzężenia zwrotne-
go na element regulacyjny ciągle, a nie w dyskretnych chwilach czasu jak w przypadku
przekształtników z regulatorami MSI (jeżeli zakłócenie nastąpi tuż po przełączeniu ele-
mentu regulacyjnego, do czasu następnej komutacji nic nie można zrobić). W praktycz-
nych zastosowaniach różnice szybkości pracy nie są aż tak wyraźne ze względu na po-
jemnościowo-indukcyjne filtry wygładzające, które istotnie wpływają na parametry dy-
namiczne.

1.2. Podstawowe konfiguracje przekształtników napięcia stałego na stałe z regulacją

impulsową

Można wyróżnić trzy podstawowe układy włączenia elementu regulacyjnego,

elementów filtru wygładzającego i obciążenia:



element regulacyjny (tranzystor T) i dławik L włączony jest szeregowo z obciążeniem

R

o

,



element regulacyjny (tranzystor T) włączony jest równolegle do obciążenia R

o

,



element regulacyjny (tranzystor T) włączony jest szeregowo, a dławik L włączony jest

równolegle do obciążenia R

o

.

1.3. Przekształtnik obniżający napięcie

Ogólny schemat przekształtnika obniżającego napięcie pokazano na rysunku 1.

Załóżmy, że wszystkie elementy przekształtnika są idealne i nie mają rezystancji we-
wnętrznej. Ponadto napięcie wyjściowe jest dobrze wyfiltrowane, czyli u

o



U

o

. Pozwala

to przyjąć, że przy dużej częstotliwości łączeń i dużych wartościach indukcyjności i po-
jemności prądy zmieniają się liniowo dzięki czemu poszczególne obwody można wtedy
opisać prostymi do analizy równaniami różnicowymi.

A Bogdan KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI I

NAPĘDÓW ELEKTRYCZNYCH

Strona 6

Rys. 1. Schemat ideowy przekształtnika obniżającego napięcie.

W czasie t

1

tranzystor jest załączony. Energia ze źródła E przekazywana jest do odbior-

nika, indukcyjności L i kondensatora C. W tym czasie dioda D jest spolaryzowana
wstecznie napięciem E dzięki przewodzącemu tranzystorowi. Do dławika L przyłożone
jest napięcie:

o

L

U

E

u





(1)

Prąd dławika i

L

wzrośnie o



i

L1

:

1

1

1

1

t

L

U

E

i

L

U

E

t

i

o

L

o

L















(2)

Zgodnie ze strategią sterowania na czas t

2

tranzystor zostanie teraz wyłączony. Prąd w

indukcyjności nie może zmniejszyć się gwałtownie do zera, więc zaindukuje się takie
napięcie (u

L

= - u

o

), przy którym załączy się dioda D. Energia nagromadzona w induk-

cyjności L i kondensatora C będzie przekazywana do odbiornika. Towarzyszyć temu bę-
dzie zmniejszenie się prądu dławika o



i

L2

:

2

2

2

2

t

L

U

i

L

U

t

i

o

L

o

L















(3)

W stanie ustalonym wartość średnia napięcia na indukcyjności jest równa zeru, w prze-
ciwnym wypadku średni prąd uległby zmianie. Oznacza to, że w stanie ustalonym modu-
ły przyrostów są sobie równe i wynoszą



i

L

:

2

1

2

1

t

L

U

t

L

U

E

i

i

i

o

o

L

L

L

















(4)

Z równania (4) można wyznaczyć wartość średnią napięcia wyjściowego przekształtnika
obniżającego napięcie:

E

E

T

t

E

t

t

t

U

o











1

2

1

1

(5)

gdzie :



- współczynnik wypełnienia,

A Bogdan KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI I

NAPĘDÓW ELEKTRYCZNYCH

Strona 7

T – okres.

Zmiana współczynnika wypełnienia w zakresie

1

,

0





powoduje zmianę napięcia wyj-

ściowego w przedziale

E

U

o

,

0



(tylko w dół).

u

E

u

o

t

L

i

L

T

D

i

L

u

t

uo

o

E-u

t

t

T

2

1

t

t

t

E

E

u

u



Rys. 2. Przebiegi czasowe napięć i prądów przekształtnika obniżającego napięcie

Cechą charakterystyczną omawianego przemiennika jest to, że pulsacje napięcia wyj-
ściowego tłumi filtr złożony z indukcyjności L i pojemności C. Istotny wpływ na wartość
tych pulsacji mają zmiany prądu dławika. Ich wartość w funkcji współczynnika wypeł-
nienia wynosi :

A Bogdan KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI I

NAPĘDÓW ELEKTRYCZNYCH

Strona 8





























1

2

2

1

2

1

2

1

1

2

2

T

L

E

t

L

E

t

t

t

t

L

E

t

t

t

E

L

t

t

L

U

i

o

L

(6)

Pulsacje prądu dławika osiągają wartość największą przy współczynniku wypełnienia
równym



=0,5. Stąd ich wartość maksymalna wynosi :

T

L

E

i

LMAX

25

,

0





(7)

Zwiększają się więc proporcjonalnie wraz ze wzrostem napięcia źródła zasilania E Moż-
na je ograniczyć poprzez zwiększenie indukcyjności dławika L lub częstotliwości pracy
przekształtnika (zmniejszenie okresu T).

1.4. Przekształtnik podwyższający napięcie

Ogólny schemat przekształtnika podwyższającego napięcie pokazano na rysunku

3, a przykładowe przebiegi napięć i prądów ilustrujących zasadę działania przekształtnika
przedstawiono na rysunku 4.

Rys. 3. Schemat ideowy przekształtnika podwyższającego napięcie

W czasie t

1

=



T tranzystor jest wysterowany. Energia ze źródła E przekazywana jest do

indukcyjności L, natomiast odbiornik zasilany jest energią nagromadzoną wcześniej w
kondensatorze C. Dioda D jest spolaryzowana wstecznie napięciem u

o

, gdyż przewodzą-

cy tranzystor zwiera anodę diody z ujemnym biegunem wyjścia jak i dławik L z ujem-
nym zaciskiem źródła. W polaryzowanym napięciem źródła E dławiku prąd wzrośnie o



i

L1

:

1

1

1

1

t

L

E

i

L

E

t

i

L

L











(8)

Zgodnie ze strategią sterowania na czas t

2

=(1-



)T tranzystor zostanie teraz wyłączony.

Prąd w indukcyjności nie może zmniejszyć się gwałtownie do zera, więc zaindukuje się
takie napięcie, przy którym załączy się dioda D. Popłynie prąd w obwodzie złożonym ze
źródła E, dławika L diody D i równolegle połączonych kondensatora C i odbiornika R

o

.

Energia ze źródła E i nagromadzona w indukcyjności L będzie przekazywana do konden-
satora C i odbiornika. Towarzyszyć temu będzie zmniejszenie się prądu dławika o



i

L2

:

A Bogdan KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI I

NAPĘDÓW ELEKTRYCZNYCH

Strona 9

2

2

2

2

t

L

U

E

i

L

U

E

t

i

o

L

o

L















(9)

Rys. 4. Przebiegi czasowe napięć i prądów przekształtnika podwyższającego napięcie

W stanie ustalonym wartość średnia napięcia na indukcyjności jest równa zeru, w prze-
ciwnym wypadku średni prąd uległby zmianie. Oznacza to, że moduły przyrostów prą-
dów są sobie równe i wynoszą



i

L

:

2

1

2

1

t

L

E

U

t

L

E

i

i

i

o

L

L

L

















(10)

A Bogdan KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI I

NAPĘDÓW ELEKTRYCZNYCH

Strona 10

Z równania (10) można wyznaczyć wartość średnią napięcia wyjściowego przekształtni-
ka podwyższającego napięcie:











1

2

2

1

E

E

t

t

t

U

o

(11)

gdzie :



- współczynnik wypełnienia.

Zmiana współczynnika wypełnienia w zakresie

1

,

0





powoduje zmianę napięcia wyj-

ściowego w przedziale





,

E

U

o

(tylko w górę). Praktycznie zakres zmian współczyn-

nika wypełnienia ograniczny jest do



=0,5, przez co wartość napięcia wyjściowego U

o

jest ograniczona do podwójnej wartości napięcia wejściowego.

Jeżeli prąd w dławiku L jest ciągły, to dioda i tranzystor przewodzą na przemian

dołączając aktualnie zatkany półprzewodnik do wyjścia. W związku z tym półprzewod-
niki należy dobierać uwzględniając wartość maksymalną napięcia wyjściowego U

oMAX

.

Pulsacje napięcia wyjściowego u

o

w tym przekształtniku zleżą przede wszystkim od do-

boru kondensatora C.

1.5. Przekształtnik obniżająco-podwyższający napięcie

Ogólny schemat przekształtnika obniżająco-podwyższającego napięcie pokazano

na rysunku 5.

Rys. 5. Schemat ideowy przekształtnika obniżająco-podwyższającego napięcie

W czasie t

1

=



T tranzystor jest wysterowany. Energia ze źródła E przekazywana jest do

indukcyjności L. Odbiornik zasilany jest energią nagromadzoną wcześniej w kondensato-
rze C. Dioda D jest spolaryzowana wstecznie napięciem u

o

, gdyż przewodzący tranzystor

zwiera anodę diody z ujemnym biegunem wyjścia, a dławik L z ujemnym zaciskiem źró-
dła. W polaryzowanym napięciem źródła E dławiku prąd wzrośnie o



i

L1

:

1

1

1

1

t

L

E

i

L

E

t

i

L

L











(12)

Zgodnie ze strategią sterowania na czas t

2

=(1-



)T tranzystor zostanie teraz wyłączony.

Prąd w indukcyjności nie może zmniejszyć się gwałtownie do zera, więc zaindukuje się

A Bogdan KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI I

NAPĘDÓW ELEKTRYCZNYCH

Strona 11

w niej takie napięcie, przy którym załączy się dioda D. Popłynie prąd w obwodzie złożo-
nym dławika L diody D i równolegle połączonych kondensatora C i odbiornika R

o

. Ener-

gia nagromadzona w indukcyjności L będzie przekazywana do kondensatora C i do od-
biornika. Towarzyszyć temu będzie zmniejszenie się prądu dławika o



i

L2

:

2

2

2

2

t

L

U

i

L

U

t

i

o

L

o

L















(13)

W stanie ustalonym wartość średnia napięcia na indukcyjności jest równa zeru, w prze-
ciwnym wypadku średni prąd uległby zmianie. Oznacza to, że moduły przyrostów prą-
dów są sobie równe i wynoszą



i

L

:

2

1

2

1

t

L

U

t

L

E

i

i

i

o

L

L

L















(14)

Z równania (14) można wyznaczyć wartość średnią napięcia wyjściowego przekształtni-
ka obniżająco - podwyższającego napięcie:















1

2

1

E

E

t

t

U

o

(15)

Zmiana współczynnika wypełnienia w zakresie

1

,

0





powoduje zmianę napięcia wyj-

ściowego w przedziale





,

0

o

U

. Zauważmy, że napięcie wyjściowe przekształtnika ma

przeciwny znak do wejściowego. Wynika z tego inna nazwa przekształtni-
ka - przekształtnik odwracający. Pulsacje napięcia wyjściowego u

o

w tym przekształtniku

zleżą przede wszystkim od doboru kondensatora C.
Na rysunku 6. pokazano przykładowe przebiegi napięć i prądów ilustrujących zasadę
działania przekształtnika obniżająco - podwyższającego napięcie. Jeżeli prąd w dławiku
L jest ciągły, to dioda i tranzystor przewodzą na przemian. Przewodząca dioda dołącza
emiter tranzystora do górnego zacisku odbiornika, a przewodzący tranzystor - katodę
diody do dodatniego bieguna źródła Z analizy oczka złożonego ze źródła E, tranzystora
T, diody D i odbiornika R

o

wynika, napięcie występujące na zatkanych diodzie i tranzy-

storze są jednakowe i wynoszą :

o

o

AK

DS

u

E

u

E

u

u











(16)

W związku z tym półprzewodniki należy dobierać uwzględniając sumę modułów warto-
ści maksymalnej napięcia wyjściowego U

oMAX

i napięcia wejściowego E.

A Bogdan KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI I

NAPĘDÓW ELEKTRYCZNYCH

Strona 12

Rys. 6. Przebiegi czasowe napięć i prądów przekształtnika obniżająco- podwyższającego napię-

cie

Inną wersję tego przekształtnika nazywanego (od nazwiska autora) Cuk converter przed-
stawia rysunek 7.

Rys. 7. Schemat ideowy przekształtnika obniżająco-podwyższającego napięcie (Cuk converter).

W tym przekształtniku, podobnie jak w poprzednim napięcie wyjściowe może być

regulowane poniżej i powyżej napięcia źródła pierwotnego. Na rysunku 8. pokazano

A Bogdan KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI I

NAPĘDÓW ELEKTRYCZNYCH

Strona 13

przykładowe przebiegi napięć i prądów ilustrujących zasadę działania przekształtnika
obniżająco - podwyższającego napięcie.

Rys. 8. Przebiegi czasowe napięć i prądów przekształtnika obniżająco- podwyższającego napię-

cie

W czasie t

1

=



T tranzystor jest wysterowany. Energia ze źródła E przekazywana jest do

indukcyjności L

1

. Naładowany wcześniej w kondensator C

1

rozładowuje się w obwodzie

złożonym z kondensatora C

1

, dławika L

2

, równolegle połączonych kondensatora C

2

i

odbiornika R

o

oraz tranzystora T. W tym czasie dioda D jest spolaryzowana wstecznie

napięciem u

C1

, gdyż przewodzący tranzystor łączy ją równolegle z kondensatorem C

1

. W

tym cyklu pracy kondensator C

1

jest rozładowywany, więc napięcie na nim zmaleje o



U

C11

:

A Bogdan KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI I

NAPĘDÓW ELEKTRYCZNYCH

Strona 14

1

1

2

11

C

t

I

u

C





(17)

gdzie :

I

2

- wartość średnia prądu i

L2

w czasie t

1.

Zgodnie ze strategią sterowania na czas t

2

=(1-



)T tranzystor T zostanie teraz wyłączo-

ny. Prąd w indukcyjnościach nie może zmniejszyć się gwałtownie do zera, więc zaindu-
kuje się na nich takie napięcie, przy którym załączy się dioda D. Prąd dławika L

2

płynie

w obwodzie złożonym z dławika L

2

, równolegle połączonych kondensatora C

2

i od-

biornika R

o

oraz diody D. Energia nagromadzona w filtrze wyjściowym złożonym z L

2

i C

2

przekazywana jest do odbiornika R

o

. Prąd dławika L

1

płynie w obwodzie złożonym

z dławika L

1

, źródła E i kondensatora C

1

. Energia ze źródła E i nagromadzona w in-

dukcyjności L

1

będzie przekazywana do kondensatora C

1

. Towarzyszyć temu będzie

wzrost napięcia kondensatora C

1

o



u

C12

:

1

2

1

12

C

t

I

u

C





(18)

gdzie :

I

1

- wartość średnia prądu i

L1

w czasie t

2

W stanie ustalonym oba przyrosty napięć są sobie równe, w przeciwnym wypadku śred-
nie napięcie na kondensatorze C

1

uległby zmianie.

2

1

2

1

1

2

1

1

1

2

12

11

t

t

I

I

C

t

I

C

t

I

u

u

C

C















(19)

Jeżeli założymy, że przekształtnik jest urządzeniem bezstratnym to średnia moc na wej-
ściu i wyjściu przekształtnika są sobie równe :

2

1

2

1

I

I

E

U

I

U

EI

o

o











(20)

Znak minus w równaniu (20) wynika z tego, że napięcie wyjściowe przekształtnika ma
przeciwny znak do wejściowego. Po zastępując ilorazu prądów wcześniej wyliczoną jego
wartością otrzymamy wzór na wartość napięcia wyjściowego przekształtnika :















1

2

1

E

E

t

t

U

o

(21)

A Bogdan KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI I

NAPĘDÓW ELEKTRYCZNYCH

Strona 15

Zmiana współczynnika wypełnienia w zakresie

1

,

0





powoduje zmianę napięcia wyj-

ściowego w przedziale





,

0

U

o

. Zauważmy, że napięcie wyjściowe przekształtnika ma

przeciwny znak do wejściowego.
Pewnej uwagi wymaga wyznaczenie wartości maksymalnej napięcia na diodzie D
i tranzystorze T. Jeżeli założymy, że prądy w dławikach są ciągłe, to półprzewodniki
przewodzą na zmianę. Przewodzenie jednego powoduje to, że drugi zostaje dołączony
równolegle do kondensatora C

1

. Maksymalne napięcie, na które należy dobrać półprze-

wodniki jest równe maksymalnemu napięciu występującemu na kondensatorze C

1

. Jego

maksymalną wartość średnią można wyznaczyć w sposób analogiczny, jak napięcie wyj-
ściowe przekształtnika podwyższającego :

max

max

1

1







E

U

C

(22)

A Bogdan KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI I

NAPĘDÓW ELEKTRYCZNYCH

Strona 16

2 Opis stanowiska

Na rysunku 9. pokazano widok płyty czołowej stanowiska laboratoryjnego. Składa

się ona z trzech pól. Lewe z nich zawiera układ sterowania, prawe - część siłową prze-
kształtników, a na środkowym umieszczono elementy związane z zasilaniem. Są to trzy

zaciski, oznaczone symbolem

2

E

, na których pojawia się napięcie z zewnętrznego, syme-

trycznego zasilacza o regulowanym płynnie napięciu w zakresie 0



30V(zasilacz ten do-

łącza się do kabla wyprowadzonego na tylnej ścianie stanowiska) oraz przyciski sterują-
ce. 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 do

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 zada-
nej konfiguracji przekształtnika. Zacisk bramki tranzystora służy tylko do obserwacji
sygnału sterującego. Sygnał ten należy oglądać w odniesieniu do masy elektroniki. Struk-
tura tranzystora typu IRFP 460 zawiera zintegrowaną diodę, zwaną diodą podłożową. Ma
ona bardzo złe właściwości dynamiczne. Można ją wyeliminować stosując odpowiednio
połączone diody szybkie. Diody szybkie typu HFA25TB60 są na pulpicie oznaczone są
jako D

5

÷ D

16

.

Oprócz elementów półprzewodnikowych na płycie czołowej stanowiska umiesz-

czono sześć 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 pojemnościach odpo-

wiednio 47



F, 100



F i 220



F. Oprócz kondensatorów na płycie czołowej stanowiska

zainstalowano cztery dławiki powietrzne L

1

÷ L

4

o indukcyjności ok. 10



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



.

Wszystkie obserwacje przebiegów napięć i prądów mogą być dokonywane za po-

mocą oscyloskopu. W celu ułatwienia obserwacji zamontowane zostały przetworniki ty-
pu LEM do obserwacji prądów (PI

1

÷ PI

5

).

Prawą stronę pulpitu stanowiska laboratoryjnego zajmuje modulator, generujący

impulsy sterujące tranzystorami. Jest on wewnętrznie połączony z tranzystorami. Modu-
lator jest układem uniwersalnym i może być stosowany do sterowania różnymi typami
przekształtników. Dostosowanie układu sterowania do przekształtnika odbywa się po-
przez wstawienie do gniazda umieszczonego obok napisu „UKŁAD MODULATORA”
odpowiednio oznaczonego wtyku. W przypadku badania zasilaczy impulsowych jest to
wtyk oznaczony jako 4A. Wtyk ten jest dostępny u prowadzącego zajęcia.

Od gniazda

umieszczonego obok napisu „UKŁAD MODULATORA” odchodzą numerowane strzałki
w kierunku poszczególnych pól układu sterowania i ich potencjometrów. Włożenie wty-
ku z numerem 4A oznacza, że uaktywni się pole z potencjometrem T do regulacji często-
tliwości przełączania i z potencjometrem t

i

t

w

do regulacji szerokości impulsu sterującego

tranzystor. Wstawienie wtyku z innym numerem spowoduje zmianę rodzaju sterowania i
uaktywnienie się innych pól.

A Bogdan KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI I

NAPĘDÓW ELEKTRYCZNYCH

Strona 17

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

oz

io

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

dn

og

ał

ęz

io

w

e

j

t

i

k

2
4

3

5

5

a

5

b

5

b

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. 9. Widok płyty czołowej stanowiska

A Bogdan KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI I

NAPĘDÓW ELEKTRYCZNYCH

Strona 18

3. Program ćwiczenia

Wstawić do gniazda umieszczonego obok napisu „UKŁAD MODULATORA”

wtyk oznaczony jako 4A. Wtyk ten jest dostępny u prowadzącego zajęcia. Ustawić na-
pięcie wyjściowe zasilacza równe ok. 10V(napięcie zasilające przekształtniki będzie wte-
dy równe 20V). Pokrętłem oznaczonym jako T (pole w górnym lewym rogu płyty czoło-
wej stanowiska laboratoryjnego) ustawić częstotliwość wewnętrznego generatora na
70 kHz. Wypełnienie impulsów sterujących tranzystor regulowane jest pokrętłem t

i

-t

w

.

Do łączenia przekształtników należy używać wyłącznie tranzystora T

1

.

1. Połączyć BUCK CONVERTER w oparciu o schemat z rys. 1, wykorzystując w tym

celu kondensator C

8

, indukcyjność L

5

oraz szeregowo połączone wewnętrzne rezysto-

ry R

1

i R

2

.

2. Zarejestrować oscylograficznie przebiegi: prądu wejściowego, prądu i napięcia tran-

zystora, prądu i napięcia diody i napięcia wyjściowego dla dwóch napięć wyjścio-
wych (współczynników wypełnienia) przy przewodzeniu ciągłym i impulsowym.

3. Wyznaczyć statyczną charakterystykę sterowania U

o

= f(



).

4. Połączyć BOOST CONVERTER w oparciu o schemat z rys. 3 wykorzystując w tym

celu kondensator C

8

, indukcyjności L

5

+L

6

oraz zewnętrzny rezystor 190



.

5. Zarejestrować oscylograficznie przebiegi: prądu wejściowego, prądu i napięcia tran-

zystora, prądu i napięcia diody i napięcia wyjściowego, dla dwóch napięć wyjścio-
wych (współczynników wypełnienia) przy przewodzeniu ciągłym i impulsowym.

6. Wyznaczyć statyczną charakterystykę sterowania U

o

= f(



).

7. Połączyć BUCK-BOOST CONVERTER w oparciu o schemat z rys. 5 wykorzystując

w tym celu kondensator C

8

, indukcyjność L

5

+L

6

oraz zewnętrzny rezystor 190



.

8. Zarejestrować oscylograficznie przebiegi: prądu wejściowego, prądu i napięcia tran-

zystora, prądu i napięcia diody i napięcia wyjściowego, dla dwóch napięć wyjścio-
wych (współczynników wypełnienia) przy przewodzeniu ciągłym i impulsowym.

9. Wyznaczyć statyczną charakterystykę sterowania U

o

= f(



).

4. Pytania kontrolne.

1. Narysuj schematy schematy takich przekształtników jak: buck konwertor, boost

konwertor, buck-boost konwertor i Cuk konwertor.

2. Narysuj przebiegi napięć i prądów tranzystora, diody, dławika i kondensatora wyżej

wymienionych przekształtników.

3. Wyznacz wartość średnią napięcia wyjściowego : buck konwertora, book konwerto-

ra, buck-boost konwertora i Cuk konwertora.

4. Wyznacz wartość napięcia na diodzie i tranzystorze: buck konwertora, boost kon-

wertora, buck-boost konwertora i Cuk konwertora

A Bogdan KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI I

NAPĘDÓW ELEKTRYCZNYCH

Strona 19

LITERATURA

1. R.Barlik, M.Nowak: Poradnik inżyniera energoelektronika . WNT 1998.
2. R.Barlik, M.Nowak: Technika tyrystorowa . WNT 1997.
3. T.Citko: Analiza układów energoelektroniki. Skrypt PB Białystok, 1992.
4. H.Tunia, R.Barlik :Teoria przekształtników. Wyd. Politechniki Warszawskiej 1992.
5. H.Tunia, B.Winiarski: Energoelektronika. WNT 1994.
6. H.Tunia, B.Winiarski: Podstawy energoelektroniki. WNT 1987.

Instrukcję opracował dr inż. Antoni Bogdan

A Bogdan KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI I

NAPĘDÓW ELEKTRYCZNYCH

Strona 20

A Bogdan KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI I

NAPĘDÓW ELEKTRYCZNYCH

Strona 21

20,1,2,19,18,3,4,17,16,5,6,15,14,7,8,13,12,9,10,11

A Bogdan KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI I

NAPĘDÓW ELEKTRYCZNYCH

Strona 22

20,1,2,19,18,3,4,17,16,5,6,15,14,7,8,13,12,9,10,11