Politechnika Białostocka
Katedra Energoelektroniki i Napędu Elektrycznego
BADANIE ZASILACZY IMPULSOWYCH
Białystok 2009
Zastrzeżenia
Materiały zawarte w instrukcji przeznaczone są wyłącznie do użytku wewnętrznego w
KEiNE PB. Ich rozpowszechniane w jakiejkolwiek postaci na zewnÄ…trz 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
qð Przed przystÄ…pieniem do zajęć należy zapoznać siÄ™ z instrukcjÄ… dydaktycznÄ… do stanowi-
ska laboratoryjnego.
qð Dokonać oglÄ™dzin urzÄ…dzeÅ„ i przyrzÄ…dów używanych w ćwiczeniu, a o zauważonych nie-
prawidłowościach bezzwłocznie powiadomić prowadzącego.
qð Zabrania siÄ™ samodzielnego zaÅ‚Ä…czania stanowiska bez zgody prowadzÄ…cego.
qð Zmian nastaw parametrów lub konfiguracji, możliwych przy użyciu dostÄ™pnych manipulato-
rów (potencjometrów, przełączników), należy dokonywać po przeanalizowaniu skutków ta-
kich działań.
qð Zmian konfiguracji obwodów elektrycznych, możliwych jedynie poprzez zmiany poÅ‚Ä…czeÅ„
przewodów, należy dokonywać za zgodą prowadzącego po uprzednim wyłączeniu zasilania
stanowiska.
qð Po zaÅ‚Ä…czeniu stanowiska wykonywanie przeÅ‚Ä…czeÅ„ (np. wymiana przyrzÄ…du) w ukÅ‚adzie
znajdującym się pod napięciem jest niedozwolone.
qð W w/w stanowisku dostÄ™pne sÄ… części czynne obwodu elektrycznego o napiÄ™ciu przekra-
czającym napięcie bezpieczne, dlatego przed uruchomieniem należy zachować odpowied-
nie oddalenie od tych części czynnych w celu uniknięcia porażenia prądem elektrycznym.
qð Stosowanie sposobów sterowania, ustawieÅ„ lub procedur innych niż opisane w instrukcji
może spowodować nieprzewidziane zachowanie obiektu sterowanego a nawet uszkodze-
nie stanowiska.
qð Nie należy podÅ‚Ä…czać urzÄ…dzeÅ„ nie przeznaczonych do współpracy z tym stanowiskiem
laboratoryjnym.
qð Przekroczenie dopuszczalnych parametrów prÄ…dów, napięć sygnałów sterujÄ…cych może
doprowadzić do przegrzania się niektórych podzespołów, pożaru lub porażenia prądem.
qð W przypadku pojawienia siÄ™ symptomów nieprawidÅ‚owego dziaÅ‚ania (np. swÄ…d spalenizny)
natychmiast należy wyłączyć stanowisko i odłączyć przewód zasilający.
qð Demontaż osÅ‚on stanowiska oraz wszelkie naprawy i czynnoÅ›ci serwisowe, oprócz opisa-
nych w instrukcji, powinny być wykonywane przez wykwalifikowany personel po wyłączeniu
stanowiska.
qð Należy stosować tylko bezpieczniki o parametrach nominalnych podanych w instrukcji lub
na obudowie urzÄ…dzenia.
qð UrzÄ…dzenie powinno być czyszczone przy użyciu suchej i miÄ™kkiej szmatki. Nie należy sto-
sować do tych celów rozpuszczalników.
A Bogdan KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI I NAP
DÓW ELEKTRYCZNYCH Strona 2
qð 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 z
ródła 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 z
ródła 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 wyraz
ne polecenie prowa-
dzącego zajęcia.
Niedopuszczalne 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 NAP
DÓW ELEKTRYCZNYCH Strona 3
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 z
ródła pierwotnego w ciąg okresowych, jednokierunkowych impulsów
prostokątnych. Obwód ujemnego sprzężenia zwrotnego oddziaływuje jedynie na parame-
try czasowe tych impulsów - czas złączenia łącznika tranzystorowego t1 i czas wyłącze-
nia łącznika tranzystorowego t2. 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:
-ð poprzez zmianÄ™ napiÄ™cia wejÅ›ciowego przy niezmienionym sposobie sterowania Å‚Ä…cz-
nikiem przekształtnika,
-ð przez zmianÄ™ impulsów sterujÄ…cych przy staÅ‚ym napiÄ™ciu wejÅ›ciowym,
-ð kombinacjÄ™ 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:
-ð zmiana czasu trwania czasu zaÅ‚Ä…czenia lub wyÅ‚Ä…czenia elementu regulacyjnego przy
stałej częstotliwości przełączania (modulacja szerokości impulsów -MSI),
-ð zmiana czÄ™stotliwoÅ›ci przeÅ‚Ä…czania elementu regulacyjnego przy staÅ‚ym czasie trwania
impulsów załączających lub wyłączających go (przekształtniki oparte na tej metodzie
nazywane są stabilizatorami z regulacją dwupołożeniową),
-ð sposób kombinowany - modulacja czÄ™stotliwoÅ›ci i szerokoÅ›ci 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 przekaz
nikowego odbywa siÄ™
porównanie napięcia wyjściowego przekształtnika z napięciem zadanym. W zależności
A Bogdan KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI I NAP
DÓW ELEKTRYCZNYCH Strona 4
od doprowadzonego do wejścia sygnału błędu układ przekaz
nikowy może być w jednym
z dwóch możliwych stanów (załączonym lub wyłączonym) . Wzrost napięcia wyjściowe-
go przekształtnika (niezależnie od z
ródła 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 z
ródła zasilającego i większa niż w układach z
modulacją szerokości impulsów amplituda tętnień napięcia wyjściowego należą do pod-
stawowych wad przekształtników z elementem przekaz
nikowym 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 ciÄ…gle, 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 wyraz
ne 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
impulsowÄ…
Można wyróżnić trzy podstawowe układy włączenia elementu regulacyjnego,
elementów filtru wygładzającego i obciążenia:
-ð element regulacyjny (tranzystor T) i dÅ‚awik L wÅ‚Ä…czony jest szeregowo z obciążeniem
Ro,
-ð element regulacyjny (tranzystor T) wÅ‚Ä…czony jest równolegle do obciążenia Ro,
-ð element regulacyjny (tranzystor T) wÅ‚Ä…czony jest szeregowo, a dÅ‚awik L wÅ‚Ä…czony jest
równolegle do obciążenia Ro.
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-
wnÄ™trznej. Ponadto napiÄ™cie wyjÅ›ciowe jest dobrze wyfiltrowane, czyli uoðUo. 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 NAP
DÓW ELEKTRYCZNYCH Strona 5
Rys. 1. Schemat ideowy przekształtnika obniżającego napięcie.
W czasie t1 tranzystor jest załączony. Energia ze z
ródła 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:
uL =ð E -ðUo (1)
PrÄ…d dÅ‚awika iL wzroÅ›nie o Dð iL1 :
DðiL1 E -ðUo E -ðUo
=ð Þð DðiL1 =ð t1 (2)
t1 L L
Zgodnie ze strategią sterowania na czas t2 tranzystor zostanie teraz wyłączony. Prąd w
indukcyjności nie może zmniejszyć się gwałtownie do zera, więc zaindukuje się takie
napięcie (uL= - uo), przy którym załączy się dioda D. Energia nagromadzona w induk-
cyjności L i kondensatora C będzie przekazywana do odbiornika. Towarzyszyć temu bę-
dzie zmniejszenie siÄ™ prÄ…du dÅ‚awika o Dð iL2:
DðiL2 -ðUo -ðUo
=ð Þð DðiL2 =ð t2 (3)
t2 L L
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-
Å‚y przyrostów sÄ… sobie równe i wynoszÄ… DðiL:
E -ðUo Uo
DðiL =ð DðiL1 =ð DðiL2 Þð t1 =ð t2 (4)
L L
Z równania (4) można wyznaczyć wartość średnią napięcia wyjściowego przekształtnika
obniżającego napięcie:
t1 t1
Uo =ð E =ð E =ð dðE (5)
t1 +ð t2 T
gdzie :
dð - współczynnik wypeÅ‚nienia,
A Bogdan KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI I NAP
DÓW ELEKTRYCZNYCH Strona 6
T  okres.
Zmiana współczynnika wypeÅ‚nienia w zakresie dð Îð 0,1 powoduje zmianÄ™ napiÄ™cia wyj-
Å›ciowego w przedziale Uo Îð 0, E (tylko w dół).
E
u
uo
t
t1 t2 T
uL
E-u
o
t
uo
iL
DðiL
t
uT
E
t
uD
t
E
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 NAP
DÓW ELEKTRYCZNYCH Strona 7
Uo t2 t1 E t1t2 E E
DðiL =ð t2 =ð E =ð =ð dð t2 =ð Tdð (ð1-ðdð )ð (6)
L L t1 +ð t2 L t1 +ð t2 L L
Pulsacje prądu dławika osiągają wartość największą przy współczynniku wypełnienia
równym dð=0,5. StÄ…d ich wartość maksymalna wynosi :
E
DðiLMAX =ð 0,25 T (7)
L
Zwiększają się więc proporcjonalnie wraz ze wzrostem napięcia z
ródła 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 t1=dðT tranzystor jest wysterowany. Energia ze z
ródła E przekazywana jest do
indukcyjności L, natomiast odbiornik zasilany jest energią nagromadzoną wcześniej w
kondensatorze C. Dioda D jest spolaryzowana wstecznie napięciem uo, gdyż przewodzą-
cy tranzystor zwiera anodę diody z ujemnym biegunem wyjścia jak i dławik L z ujem-
nym zaciskiem z
ródła. W polaryzowanym napięciem z
ródła E dławiku prąd wzrośnie o
DðiL1 :
DðiL1 E E
=ð Þð DðiL1 =ð t1 (8)
t1 L L
Zgodnie ze strategiÄ… sterowania na czas t2 =(1-dð)T tranzystor zostanie teraz wyÅ‚Ä…czony.
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
z
ródła E, dławika L diody D i równolegle połączonych kondensatora C i odbiornika Ro.
Energia ze z
ródła E i nagromadzona w indukcyjności L będzie przekazywana do konden-
satora C i odbiornika. Towarzyszyć temu bÄ™dzie zmniejszenie siÄ™ prÄ…du dÅ‚awika o Dð iL2:
A Bogdan KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI I NAP
DÓW ELEKTRYCZNYCH Strona 8
DðiL2 E -ðUo E -ðUo
=ð Þð DðiL2 =ð t2 (9)
t2 L L
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 sÄ… sobie równe i wynoszÄ… DðiL:
E Uo -ð E
DðiL =ð DðiL1 =ð DðiL2 Þð t1 =ð t2 (10)
L L
A Bogdan KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI I NAP
DÓW ELEKTRYCZNYCH Strona 9
Z równania (10) można wyznaczyć wartość średnią napięcia wyjściowego przekształtni-
ka podwyższającego napięcie:
t1 +ð t2 E
Uo =ð E =ð (11)
t2 1-ðdð
gdzie :
dð - współczynnik wypeÅ‚nienia.
Zmiana współczynnika wypeÅ‚nienia w zakresie dð Îð 0,1 powoduje zmianÄ™ napiÄ™cia wyj-
Å›ciowego w przedziale Uo Îð E,Ä„ð (tylko w górÄ™). Praktycznie zakres zmian współczyn-
nika wypeÅ‚nienia ograniczny jest do dð=0,5, przez co wartość napiÄ™cia wyjÅ›ciowego Uo
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 UoMAX.
Pulsacje napięcia wyjściowego uo 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 t1=dðT tranzystor jest wysterowany. Energia ze z
ródła E przekazywana jest do
indukcyjności L. Odbiornik zasilany jest energią nagromadzoną wcześniej w kondensato-
rze C. Dioda D jest spolaryzowana wstecznie napięciem uo, gdyż przewodzący tranzystor
zwiera anodę diody z ujemnym biegunem wyjścia, a dławik L z ujemnym zaciskiem z
ró-
dła. W polaryzowanym napięciem z
ródÅ‚a E dÅ‚awiku prÄ…d wzroÅ›nie o Dð iL1 :
DðiL1 E E
=ð Þð DðiL1 =ð t1 (12)
t1 L L
Zgodnie ze strategiÄ… sterowania na czas t2 =(1-dð)T tranzystor zostanie teraz wyÅ‚Ä…czony.
Prąd w indukcyjności nie może zmniejszyć się gwałtownie do zera, więc zaindukuje się
A Bogdan KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI I NAP
DÓW ELEKTRYCZNYCH Strona 10
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 Ro. Ener-
gia nagromadzona w indukcyjności L będzie przekazywana do kondensatora C i do od-
biornika. Towarzyszyć temu bÄ™dzie zmniejszenie siÄ™ prÄ…du dÅ‚awika o DðiL2:
DðiL2 -ðUo -ðUo
=ð Þð DðiL2 =ð t2 (13)
t2 L L
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 sÄ… sobie równe i wynoszÄ… Dð iL:
E Uo
DðiL =ð DðiL1 =ð DðiL2 Þð t1 =ð t2 (14)
L L
Z równania (14) można wyznaczyć wartość średnią napięcia wyjściowego przekształtni-
ka obniżająco - podwyższającego napięcie:
t1 dðE
Uo =ð -ð E =ð -ð (15)
t2 1-ðdð
Zmiana współczynnika wypeÅ‚nienia w zakresie dð Îð 0,1 powoduje zmianÄ™ napiÄ™cia wyj-
Å›ciowego w przedziale Uo Îð 0,Ä„ð . Zauważmy, że napiÄ™cie wyjÅ›ciowe przeksztaÅ‚tnika ma
przeciwny znak do wejściowego. Wynika z tego inna nazwa przekształtni-
ka - przekształtnik odwracający. Pulsacje napięcia wyjściowego uo 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 z
ródła Z analizy oczka złożonego ze z
ródła E, tranzystora
T, diody D i odbiornika Ro wynika, napięcie występujące na zatkanych diodzie i tranzy-
storze sÄ… jednakowe i wynoszÄ… :
uDS =ð uAK =ð E -ð uo =ð E +ð uo (16)
W związku z tym półprzewodniki należy dobierać uwzględniając sumę modułów warto-
ści maksymalnej napięcia wyjściowego UoMAX i napięcia wejściowego E.
A Bogdan KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI I NAP
DÓW ELEKTRYCZNYCH Strona 11
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 z
ródła pierwotnego. Na rysunku 8. pokazano
A Bogdan KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI I NAP
DÓW ELEKTRYCZNYCH Strona 12
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 t1=dðT tranzystor jest wysterowany. Energia ze z
ródła E przekazywana jest do
indukcyjności L1. Naładowany wcześniej w kondensator C1 rozładowuje się w obwodzie
złożonym z kondensatora C1, dławika L2, równolegle połączonych kondensatora C2 i
odbiornika Ro oraz tranzystora T. W tym czasie dioda D jest spolaryzowana wstecznie
napięciem uC1, gdyż przewodzący tranzystor łączy ją równolegle z kondensatorem C1. W
tym cyklu pracy kondensator C1 jest rozładowywany, więc napięcie na nim zmaleje o
DðUC11 :
A Bogdan KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI I NAP
DÓW ELEKTRYCZNYCH Strona 13
I2t1
DðuC11 =ð (17)
C1
gdzie :
I2 - wartość średnia prądu iL2 w czasie t1.
Zgodnie ze strategiÄ… sterowania na czas t2 =(1-dð)T tranzystor T zostanie teraz wyÅ‚Ä…czo-
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 L2 płynie
w obwodzie złożonym z dławika L2, równolegle połączonych kondensatora C2 i od-
biornika Ro oraz diody D. Energia nagromadzona w filtrze wyjściowym złożonym z L2
i C2 przekazywana jest do odbiornika Ro. Prąd dławika L1 płynie w obwodzie złożonym
z dławika L1, z
ródła E i kondensatora C1. Energia ze z
ródła E i nagromadzona w in-
dukcyjności L1 będzie przekazywana do kondensatora C1. Towarzyszyć temu będzie
wzrost napiÄ™cia kondensatora C1 o Dð uC12:
I1t2
DðuC12 =ð (18)
C1
gdzie :
I1 - wartość średnia prądu iL1 w czasie t2
W stanie ustalonym oba przyrosty napięć są sobie równe, w przeciwnym wypadku śred-
nie napięcie na kondensatorze C1 uległby zmianie.
I2t1 I1t2 I1 t1
DðuC11 =ð DðuC12 =ð =ð Þð =ð (19)
C1 C1 I2 t2
Jeżeli założymy, że przekształtnik jest urządzeniem bezstratnym to średnia moc na wej-
ściu i wyjściu przekształtnika są sobie równe :
I1
EI1 =ð -ðUoI2 Þð Uo =ð -ðE (20)
I2
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 :
t1 dðE
Uo =ð -ð E =ð -ð (21)
t2 1 -ð dð
A Bogdan KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI I NAP
DÓW ELEKTRYCZNYCH Strona 14
Zmiana współczynnika wypeÅ‚nienia w zakresie dð Îð 0,1 powoduje zmianÄ™ napiÄ™cia wyj-
Å›ciowego w przedziale Uo Îð 0,Ä„ð . Zauważmy, że napiÄ™cie wyjÅ›ciowe przeksztaÅ‚tnika 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 C1. Maksymalne napięcie, na które należy dobrać półprze-
wodniki jest równe maksymalnemu napięciu występującemu na kondensatorze C1. Jego
maksymalną wartość średnią można wyznaczyć w sposób analogiczny, jak napięcie wyj-
ściowe przekształtnika podwyższającego :
E
UC1max =ð (22)
1 -ð dðmax
A Bogdan KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI I NAP
DÓW ELEKTRYCZNYCH Strona 15
 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
E
zaciski, oznaczone symbolem , na których pojawia się napięcie z zewnętrznego, syme-
2
trycznego zasilacza o regulowanym pÅ‚ynnie napiÄ™ciu w zakresie 0Ä…ð30V(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, z
ródło i bramkę. Tranzystory są wewnętrznie
dołączone do obwodu sterowania. A
Ä…czy siÄ™ tylko z
ródło 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 D5 ÷ D16.
Oprócz elementów półprzewodnikowych na płycie czołowej stanowiska umiesz-
czono sześć kondensatorów o pojemnościach: 57nF (C1), 47nF (C5 i C6) i 10nF (C2, C3 i
C4). Kondensatory C7, C8 i C9 to kondensatory elektrolityczne o pojemnościach odpo-
wiednio 47mðF, 100mðF i 220mðF. Oprócz kondensatorów na pÅ‚ycie czoÅ‚owej stanowiska
zainstalowano cztery dÅ‚awiki powietrzne L1 ÷ L4 o indukcyjnoÅ›ci ok. 10mðH oraz dwa
dławiki ferromagnetyczne L5 i L6. Obciążeniem budowanych przekształtników mogą być
wbudowane oporniki R1 i R2 o rezystancji 16Wð.
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 prÄ…dów (PI1 ÷ PI5).
PrawÄ… stronÄ™ pulpitu stanowiska laboratoryjnego zajmuje modulator, generujÄ…cy
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  UKA
AD 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  UKA
AD 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 ti tw do regulacji szerokości impulsu sterującego
tranzystor. Wstawienie wtyku z innym numerem spowoduje zmianÄ™ rodzaju sterowania i
uaktywnienie się innych pól.
A Bogdan KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI I NAP
DÓW ELEKTRYCZNYCH Strona 16
Rys. 9. Widok płyty czołowej stanowiska
A Bogdan KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI I NAP
DÓW ELEKTRYCZNYCH Strona 17
D9
D11
PP5
D10
D12
PP4
PN2
C3
C7
C8
C9
PP3
C4
PP2
4
3
PN1
L1
L2
L3
L4
L5
L6
C5
C6
R1
R2
1
2
PP1
C1
C2
TR1
PRZEKSZTAA
TNIKI IMPULSOWE
D13
D14
D15
D16
D8
D5
D6
D7
_
_
2
2
E
E
Z
W
ZS
k
k
Układ modulatora
max
min
f
f
i
w
t
t
Ofst
Dð
i
u
Ofst
A
Ofst
T
PI
regulacji
i
t
A
jednogałęziowej
jednobiegunowej
sygnału w układzie
Poziom komparacji
T
1
f
f
i
u
kT
5a
3
5b
5b
6a
9 8 7 6 5 4 2 1
3. Program ćwiczenia
Wstawić do gniazda umieszczonego obok napisu  UKA
AD 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 ti-tw.
Do łączenia przekształtników należy używać wyłącznie tranzystora T1.
1. Połączyć BUCK CONVERTER w oparciu o schemat z rys. 1, wykorzystując w tym
celu kondensator C8, indukcyjność L5 oraz szeregowo połączone wewnętrzne rezysto-
ry R1 i R2.
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 statycznÄ… charakterystykÄ™ sterowania Uo= f(dð).
4. Połączyć BOOST CONVERTER w oparciu o schemat z rys. 3 wykorzystując w tym
celu kondensator C8, indukcyjnoÅ›ci L5+L6 oraz zewnÄ™trzny rezystor 190Wð.
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 statycznÄ… charakterystykÄ™ sterowania Uo= f(dð).
7. Połączyć BUCK-BOOST CONVERTER w oparciu o schemat z rys. 5 wykorzystując
w tym celu kondensator C8, indukcyjność L5+L6 oraz zewnÄ™trzny rezystor 190Wð.
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 statycznÄ… charakterystykÄ™ sterowania Uo= f(dð).
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 NAP
DÓW ELEKTRYCZNYCH Strona 18
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 NAP
DÓW ELEKTRYCZNYCH Strona 19
A Bogdan KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI I NAP
DÓW ELEKTRYCZNYCH Strona 20
 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 NAP
DÓW 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 NAP
DÓW ELEKTRYCZNYCH Strona 22