Laboratorium Układów Elektronicznych

Ćwiczenie nr 13.

Zasilacze impulsowe - zasilacz stabilizowany.

Ćwiczenie wykonali:

Marcin Wagemann

Grzegorz Kowalczyk

Politechnika Wrocławska

1. Wstęp teoretyczny.

Zasilacze impulsowe to układy charakteryzujące się dużą sprawnością, nawet do 95 %, co jest bardzo pożądanym czynnikiem zwiększającym ich popularność pod względem konstrukcyjnym. Oprócz dużej sprawności charakteryzują się wieloma innymi cechami. Zawierają one układy impulsowego przetwarzania i stabilizowania napięcia wyjściowego, najczęściej przełączane z częstotliwością ponadakustyczną. Jedną z ich wad jest to że mogą być źródłem zakłóceń, niekiedy wręcz wykluczających ich zastosowanie. Zasilacz impulsowe są znacznie bardziej skomplikowane i rozbudowane niż zasilacze o działaniu ciągłym, co powoduje zmniejszenie ich trwałości i niezawodności. Stabilizacja napięcia wyjściowego jest na ogól gorsza niż w stabilizatorach o działaniu ciągłym. Natomiast wśród ich zalet - poza dużą sprawnością - należy przede wszystkim wymienić małe wymiary, łatwość transformacji napięcia zasilającego oraz możliwość uzyskania izolacji galwanicznej między źródłem zasilającym a obwodem wyjściowym (obciążeniem).

Ogólna koncepcja zasilaczy impulsowych opiera się na spostrzeżeniu, że zmiany wartości średniej napięcia wyjściowego można dokonywać przez regulację czasu zamknięcia klucza. Schemat blokowy typowego zasilacza przedstawiłem na poniższym rysunku:

Sterowane konwertery napięcia stałego, umożliwiają zamianę wejściowego napięcia stałego na inną wartość z maksymalną sprawnością możliwą do uzyskania. Konwertery te zawierają bierne filtry LC , transformujące energię dostarczoną do nich impulsowo ze źródła poprzez układy przełączające (klucze). Energia po przetransformowaniu jest przekazywana na wyjście przez układy prostownicze. Przekazywanie energii może odbywać się w trakcie włączenia kluczy, lub też w trakcie ich wyłączania, zależnie od rodzaju użytego konwertera. Konwertery w których przekazywanie energii do obciążenia odbywa się w trakcie włączania kluczy są nazywane konwerterami współbieżnymi lub synfazowymi, a konwertery w których energia jest przekazywana do obciążenia przy wyłączonym kluczu, są nazywane konwerterami przeciwbieżnymi, lub przeciwfazowymi.

Przykładowy konwerter współbieżny przedstawiono na poniższym schemacie.

Zastosowanie filtru LC o górnej częstotliwości granicznej znacznie mniejszej niż częstotliwość kluczowania pozwala na utrzymanie stałego napięcia wyjściowego pozbawionego tętnień . Stosowanie takich kluczy jednak nie zawsze jest odpowiednim rozwiązaniem ze względu na zmniejszoną szybkość korygowania napięcia na wyjściu konwertera, zwiększone wymiary (duża pojemność, indukcyjność). Możliwość szybkiej korekcji napięcia wyjściowego jest uzależniona bezpośrednio od opóźnienia spowodowanego przez filtr LC.

Przy dużych prądach obciążenia konwertera kierunek prądu płynącego przez indukcyjność i przez klucze nie zmienia się. Energia zgromadzona w indukcyjności w pierwszej fazie kluczowania (włączony klucz) nie jest całkowicie przekazywana w drugiej fazie kluczowania. Obciążenie takie jest nazywane obciążeniem nadkrytycznym. Obciążenie krytyczne konwertera jest natomiast określane jako taki stan, przy którym prąd w indukcyjności osiąga wartość zerową. Dalsze zmniejszanie obciążenia powoduje zmniejszanie prądu wyjściowego (obciążenie podkrytyczne) prowadzi do zmiany kierunku prądu w indukcyjności. Zmniejsza się również wtedy kierunek prądu płynącego przez klucz.

Oznacza to że w konwerterach współbieżnych w zasadzie powinny być używane klucze umożliwiające dwukierunkowe przewodzenie prądu. W przypadku stosowania kluczy jednokierunkowych właściwości zasilaczy impulsowych przy pracy z małymi prądami wyjściowymi ulegają zmianie. Definicje rodzaju obciążenia przedstawiłem na poniższym rysunku.

Właściwości konwerterów współbieżnych z kluczami dwukierunkowymi i jednokierunkowymi przy obciążeniu krytycznym i nadkrytycznym są takie same. Różnią się jednak znacznie przy obciążeniu podkrytycznym. Mianowicie następuje zmiana kierunku prądu płynącego w indukcyjności L i w kluczach , co przy zastosowaniu klucza jednokierunkowego wywołuje barierę dla prądu płynącego w przeciwnym kierunku. Nadmiar energii zgromadzonej w indukcyjności jest więc przekazywany do obciążenia, powodując zwiększenie napięcia wyjściowego. Przebiegi napięć dla różnych obciążeń przedstawiono na poniższym wykresie. Napięcie U₁ jest napięciem na wyjściu klucza.

Stosuje się wiele układów tego konwertera, stosuje się różnego rodzaju klucze do sterowania tych układów. Jednym z tych układów jest układ z przetwornicą. Zapewnia on izolację galwaniczną między źródłem zasilającym a obciążeniem. Przetwornice te pełnią rolę sterowanych kluczy. Istnieją trzy różne rodzaje realizacji przetwornic - mostkowa, półmostkowa i przeciwsobna. Układy te przedstawiłem na poniższym rysunku.

Konwertery przeciwbieżne wykonuje się w różnych odmianach, mogą to być

konwertery indukcyjnością lub też z transformatorem. Przykłady na poniższym rysunku:

Podobnie jak w układzie konwertera współbieżnego w konwerterze przeciwbieżnym są także określane stany obciążenia nadkrytycznego, krytycznego i podkrytycznego. W stanie obciążenia krytycznego energia zgromadzona w pierwszym takcie kluczowania (klucz włączony) nie jest w całości przekazywana do obciążenia w drugim takcie. Przy obciążeniu podkrytycznym sytuacja jest odwrotna, tzn. cała energia w fazie pierwszej jest w całości przekazywana do obciążenia w drugiej fazie. Przebiegi napięć i prądów charakterystyczne dla trzech stanów obciążenia przedstawiłem na poniższym rysunku.

Często w praktyce wymaga się wielu napięć zasilających, i oczywiście można to realizować stosując wiele stabilizatorów impulsowych lecz można też użyć konwerterów o wielu wyjściach. W tych konwerterach przy stabilizacji jednego z napięć wyjściowych pozostałe także są stabilizowane. Za napięciem wyjściowym stabilizującym obwód.

Reasumując, przy doborze rodzaju konwertera napięcia stałego w zasilaczu impulsowym rozważa się właściwości różnych układów w zależności od mocy wyjściowej i napięcia wyjściowego, liczby napięć wyjściowych mających wpływ na napięcie szczytowe występujące w kluczu, maksymalnego prądu klucza, złożoności układu, jego kosztów, sprawności itp. Najprostsze w realizacji i najtańsze są konwertery przeciwbieżne. Konwertery te umożliwiają także łatwe realizowanie układów o wielu wyjściach. Ich wadą jest niedostateczne wykorzystanie rdzeni transformatorów oraz duże tętnienia prądu płynącego przez kondensatory filtrujące. Dlatego konwertery przeciwbieżne są stosowane tylko w stabilizatorach małej i średniej mocy. Przy większych prądach wyjściowych i średnich mocach wyjściowych stosowane są konwertery współbieżne z pojedynczym kluczem, natomiast przy dużych mocach wyjściowych stosuje się układy współbieżne z kluczami pracującymi w układzie przeciwsobnym. Wprawdzie wymagają one stosowania rozbudowanych układów, ale za to umożliwiają dobre wykorzystanie rdzeni transformatorowych i tranzystorów kluczujących, oraz zapewniają dobrą sprawność energetyczną .

2. Celem ćwiczenia było zapoznanie się z własnościami i parametrami praktycznych układów zasilaczy impulsowych. W badanym układzie wykorzystano układ scalony UL1540N zawierający oscylator wewnętrzny, układ komparatora, modulator szerokości impulsów, układ „miękkiego” startu oraz układy zabezpieczające. Układ ten pozwalał na regulacje współczynnika wypełnienia impulsów przetwarzanych następnie w drugiej części układu na napięcie stałe. Schemat badanego układu przedstawia rysunek 1 zaczerpnięty z instrukcji do ćwiczenia.

3. Przebieg ćwiczenia.

Na wstępie wykonałem pomiar zmian współczynnika wypełnienia δ od napięcia stałego U₁₀ . Pomiary przeprowadziłem dla dwóch częstotliwości 16 i 32 kHz.

Delta jest wyznaczona jako stosunek czasów δ=t/T , T wynosi 35 μs dla 16 kHz i 4μs dla 32 kHz. Wyniki ująłem w poniższej tabeli.

t[μs]	δ[%]	U10[V]		t[μs]	δ[%]	U10[V]
31	33.60	0.01		3.2	34.82	1.02
32	32.55	1.04		3.1	35.94	2.18
31	33.60	1.63		2.9	38.42	2.97
30	34.72	2.40		2.4	46.42	4.03
28	37.20	3.20		1.4	79.59	4.97
24	43.40	3.79		1.2	92.86	5.20
21	49.60	4.30		1.2	92.86	5.81
12	86.81	4.88		1.2	92.86	6.31
12	86.81	5.26		1.7	65.55	6.32
12	86.81	5.72		2.4	46.43	6.36
12	86.81	6.29		2.8	39.80	6.38
16	65.10	6.32
18	57.87	6.33
28	37.20	6.37

Dla 16 kHz Dla 32 kHz

Dla powyższych wyników otrzymałem dwie charakterystyki przedstawiające zależność współczynnika wypełnienia od napięcia U₁₀.

Wykonałem pomiary parametrów zasilacza stabilizowanego dla obciążenia 14,4Ω i dla częstotliwości 16kHz . Wykonałem pomiary I₁, P₁, η, I_Cp , dla trzech różnych napięć zasilających 20, 24 i 28 V. Korzystając z następujących zależności:

P1=U1*I1

P2=(U2*U2)/R

=

otrzymałem wyniki dla trzech różnych napięć zasilania dla częstotliwości 16 i 32kHz.

U1[V]	20	24	28
I1[A]	0.31	0.445	0.45
P1[W]	6.20	10.68	12.60
U2[V]	7.10	10.64	11.89
P2[V]	3.60	8.09	10.10
η	0.58	0.76	0.80

Przerysowałem oscylogramy impulsu prądu I_E które są w protokóle.

Wykonałem pomiary parametrów zasilacza stabilizowanego także dla obciążenia 14,4Ω i dla częstotliwości 32kHz . Wyniki pomiarów:

U1[V]	20	24	28
I1[A]	0.76	0.62	0.46
P1[W]	15.20	14.88	12.88
U2[V]	11.85	11.85	11.89
P2[V]	10.03	10.03	10.10
η	0.66	0.67	0.78

Dla większej częstotliwości nastąpiła znaczna zmiana kształtu impulsów prądu I_E. Także sprawność tego układu zmalała dla większych wartości napięcia U₁.

Kolejnym pomiarem był pomiar współczynnika stabilizacji napięcia wyjściowego od zmian napięcia wejściowego. Ustawiłem napięcie wejściowe równe U₁=24V i częstotliwość f=16kHz i zanotowałem napięcie wyjściowe równe U₂=11,86. Następnie zmieniłem napięcie U₁ o 10 % , wynosiło wtedy U₁=27 V i zmierzyłem napięcie U₂=11,88V. Otrzymałem w ten sposób dla 10-cio procentowej zmiany napięcia wejściowego (ΔU₁=3V) zmianę napięcia wyjściowego równą ΔU₂=0,02V i na tej podstawie obliczyłem współczynnik stabilizacji napięcia wyjściowego. Wynosi on :

Następnie wykonałem pomiar rezystancji wyjściowej dla U₁=24V i f=16kHz. Zmierzyłem wartość napięcia U₂ dla rezystancji obciążenia 14,4 i 18Ω. Wyniki:

Lp.	R[Ω]	U2[V]	I2[A]
1.	14,4	11,96	0,83
2.	18,0	11,98	0,66

Rezystancję obliczyłem ze wzoru:

Następnie zbadaliśmy wpływ zmian współczynnika δ na przebiegi czasowe prądów i napięć. Oscylogramy dla dwóch różnych wartości δ w zakresie od δ_min do δ_max , które dołączyłem do sprawozdania.

Następnie sprawdziłem czy otrzymane wyniki potwierdzają teoretyczne wartości badanych wielkości.

1. 
   wartość szczytowa prądu kolektora

Wartość tego prądu jest porównywalna z wartością prądu I_E którego wartość szczytowa wynosi 0,78 A co można uznać za wynik poprawny.

2. napięcie kolektora U_CE2 tranzystora T₂

Napięcie to odczytane z oscylogramu wynosi 60V.

3. 
   napięcie wyjściowe zasilacza

dla tej wartości napięcia U₁ napięcie U₂ wynosi 7,1V co stanowi pewną rozbieżność między wartością rzeczywistą a wartością wyznaczoną dokładnie , a spowodowane jest to niedokładnym wyznaczeniem współczynnika wypełnienia sygnału. Przy dokładniejszym pomiarze wartość ta na pewno pokryła by się z wartością teoretyczną.

4. Wnioski

Zasilacze o działaniu impulsowym są to układy elektroniczne zamieniające napięcie stałe o określonej wartości na napięcie (lub kilka napięć) o innym poziomie, zwykle z zachowaniem oddzielenia galwanicznego źródła energii od odbiornika. Układ badałem dla dwóch częstotliwości 16 i 32 kHz. W ćwiczeniu wyznaczyłem również zależność współczynnika wypełnienia od napięcia U10. Charakterystyka =f(U10) jest bardzo zbliżona do charakterystyki przedstawionej w instrukcji do ćwiczenia.

Uzyskane wyniki świadczą o dobrej stabilizacji napięcia wyjściowego, co pozwala uzyskać źródło o stałych parametrach mało zależnych od napięcia zasilania, obciążenia i parametrów układu. Szczególnie pożądaną cechą jest duża sprawność energetyczna tych układów, dzięki temu można uzyskać mniejsze straty mocy, a co za tym idzie zredukować, w stosunku do układów o pracy ciągłej, rozmiary i ciężar zasilaczy przy zachowaniu dużych mocy rzędu nawet setek watów. Zaletą jest również odseparowanie galwaniczne dalszych układów od źródła zasilania. Układy te mają jednak i swoje wady. Wśród nich wymienić należy emisję zakłóceń, mogących uniemożliwić ich wykorzystanie np. w aparaturze zawierającej czułe wzmacniacze, oraz gorszą od zasilaczy o pracy ciągłej dynamikę tj. szybkość reakcji na zmiany obciążenia.

---