Politechnika Białostocka

Wydział Elektryczny

Katedra Automatyki i Elektroniki

Instrukcja

do

ć

wicze

ń

laboratoryjnych z przedmiotu

ELEKTRONIKA ENS1C300 022

STABILIZATOR IMPULSOWY OBNI

Ż

AJ

Ą

CY NAPI

Ę

CIE

BIAŁYSTOK 2013

STABILIZATOR IMPULSOWY

1. Wstęp
Wobec

pogłębiającego

się

deficytu

energii

powstaje

konieczność

oszczędnego

gospodarowania nią, zwłaszcza najszlachetniejszym jej rodzajem – energią elektryczną.
Urządzenia elektroniczne muszą być zasilane stabilizowanymi napięciami stałymi. Dobrym
rozwiązaniem, szczególnie przy dużych mocach wyjściowych, są stabilizatory impulsowe.
Wysoka sprawność, stabilne napięcie wyjściowe, niezależne od napięcia zasilającego i
temperatury otoczenia sprawiają, że są niemal idealnym źródłem prądu stałego. Może on być
częścią większego urządzenia elektronicznego, ale zazwyczaj jest oddzielnym modułem,
wykonanym zwykle jako układ scalony. Najczęstsze zastosowania to zasilacze sprzętu
komputerowego, elektroniki użytkowej, sprzętu telekomunikacyjnego i medycznego,
aparatury pokładowej samolotów oraz sprzętu kosmicznego.

2. Wprowadzenie
Jednym z najistotniejszych podzespołów stabilizatorów impulsowych są układy
przekazywania energii (stopnie wyjściowe mocy). W ich skład wchodzą elementy
przełączające, które umożliwiają przepływ energii pomiędzy wejściem, a wyjściem
stabilizatora. Impulsowy układ przekazywania energii może być z wyjściem odizolowanym
lub nieodizolowanym od sieci.

W przekształtniku o działaniu impulsowym (rys. 1) tranzystor regulacyjny pracuje

jako łącznik doprowadzający napięcie do obciążenia za pośrednictwem filtru indukcyjno-
pojemnościowego, którego zadaniem jest wygładzenie napięcia wyjściowego, związanego z
pracą impulsową. Dławik magazynuje energię w jednej fazie cyklu, aby w drugiej oddać
energię, zastępując źródło zasilające, a tym samym stabilizować napięcie. Dioda zwrotna
umożliwia przepływ energii tylko w jednym kierunku, a jej umiejscowienie i polaryzacja
zależy od rodzaju konwertera.

Rys. 1. Schemat ideowy impulsowego stabilizatora obniżającego napięcie wejściowe

W czasie przewodzenia łącznika prąd przepływa przez dławik i obciążenie, ładując

jednocześnie kondensator (linia ciągła na rys. 1). Po wyłączeniu łącznika prąd przepływający
przez dławik nie może zmienić się skokowo, kontynuując przepływ przez obciążenie i diodę
zwrotną. W tym czasie prąd rozładowania kondensatora zasila obciążenie (linia przerywana
na rys. 1).
W większości układów stabilizator impulsowy jest sterowany z generatora impulsów
prostokątnych o modulowanej szerokości impulsów (PWM). Wartość napięcia wyjściowego

stabilizatora może być regulowana poprzez zmianę współczynnika wypełnienia impulsów,
przy stałej częstotliwości przełączania (rys. 2).

Rys. 2. Kształtowanie napięcia wyjściowego poprzez modulację szerokości impulsu

Układy przekazywania energii o wyjściu nieizolowanym od wejścia dzielą się na:

obniżające napięcie (ang. step - down, bucking), podwyższające napięcie (ang. step – up,
boost) oraz zmieniające biegunowość napięcia stałego (ang. polarity-converting).

Tematyką ćwiczenia jest badanie regulowanego stabilizatora obniżającego napięcie

wejściowe sterowanego monolitycznym układem scalonym LM 2576. W odróżnieniu od
układów dyskretnych, zasadniczy ciężar pracy projektowej spoczywa na konstruktorach
układu scalonego. Zadanie użytkownika sprowadza się na ogół do umiejętnego i
całościowego wykorzystania danych zawartych w katalogu.

3. Stabilizator obniżający napięcie

W układzie stabilizatora impulsowego obniżającego napięcie (rys. 3) tranzystor T pracuje

jako łącznik. Kondensator C włączony równolegle do obciążenia R

o

jest ładowany impulsowo

poprzez dławik L. W czasie, gdy tranzystor T jest załączony, kondensator C ładowany jest

prądem przepływającym przez dławik o indukcyjności L.

W czasie załączenia tranzystora t

1

przyrost prądu w dławiku wynosi:

T

L

U

U

t

L

U

U

I

o

we

o

we

Lt

γ

−

=

−

=

∆

1

1

,

(1)

gdzie:

T

t

1

=

γ

jest współczynnikiem wypełnienia.

Gdy tranzystor zostanie wyłączony (zatkany), zgromadzona w indukcyjności energia nie

pozwala na skokową zmianę prądu, który w przedziale t

2

zamyka się poprzez pojemność C i

diodę zwrotną. W tym czasie prąd w dławiku maleje liniowo zgodnie z zależnością (2):

).

1

(

2

γ

−

=

∆

T

L

U

I

o

Lt

(2)

Rys. 3. Schemat stabilizatora impulsowego obniżającego napięcie

Stabilizacja napięcia wyjściowego zachodzi wtedy, gdy przyrost i spadek prądu dławika

podczas czasu załączenia i wyłączenia klucza są sobie równe, czyli:

)

1

(

γ

γ

−

=

−

T

L

U

T

L

U

U

o

o

we

(3)

Wyznaczając z zależności (80)

U

o

otrzymujemy

:

we

o

U

U

γ

=

.

(4)

Z powyższej zależności widać, iż napięcie wyjściowe może być stabilizowane poprzez

zmianę współczynnika wypełnienia. Ponieważ jest on zawsze mniejszy od jedności (

1

<

γ

),

zatem napięcie wyjściowe będzie zawsze niższe od napięcia wejściowego.

Rys. 4. Przebiegi napięć i prądów stabilizatora obniżającego napięcie

Dla wyjścia indukcyjność L wraz z pojemnością stanowią filtr dolnoprzepustowy,

jednocześnie dławik jest elementem, który ogranicza prąd. Ponieważ w indukcyjności jest

możliwe jednoczesne gromadzenie jak i odzysk energii wówczas w chwili, gdy klucz jest

wyłączony (tranzystor zatkany), wtedy zaczyna przewodzić dioda zwrotna przekazując

energię nagromadzoną w dławiku do kondensatora i obciążenia. W rezultacie poprawia się

sprawność układu.

Krytyczna wartość indukcyjności dławika jest określana dla podwójnej wartości średniej

minimalnego prądu obciążenia, co można zapisać zależnością:

o

o

I

L

T

U

2

)

1

(

=

−

γ

(5)

Podstawiając w miejsce γ wyrażenie

U

o

/U

we ,

oraz do

I

o

zależność

P

o

/U

o

otrzymujemy wzór na

minimalną wartość indukcyjności:

)

1

(

2

max

min

2

min

we

o

o

o

U

U

P

T

U

L

−

⋅

⋅

⋅

=

,

(6)

gdzie:

P

o min

– minimalna moc wyjściowa.

Dla zadanej indukcyjności można obliczyć wartość graniczną prądu obciążenia, czyli taką,

przy której chwilowa wartość prądu dławika chwilowo spada do zera. Można to wyrazić

zależnością:

L

TU

I

we

Lim

2

)

1

(

γ

−

=

.

(7)

Gdy prąd obciążenia jest większy od tej wartości, wtedy prąd dławika nie spada do zera. Przy

pominięciu strat, do określenia parametrów układu ważne są poniższe zależności:

we

o

U

U

γ

=

, gdy

I

o

>

I

Lim

.

(8)

oraz

T

U

LI

U

U

we

o

we

o

2

2

1

+

=

,

gdy

Lim

o

I

I

≤

≤

0

.

(9)

4. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia laboratoryjnego jest zrozumienie działania, poznanie roli elementów

składowych układu oraz właściwości regulowanych stabilizatorów impulsowych.

Studenci przed przestąpieniem do wykonywania ćwiczenia powinni zapoznać się z zakresem

napięć wejściowych i wyjściowych, prądów i możliwych konfiguracji pracy podanych w

nocie aplikacyjnej producenta układu LM2576-ADJ.

5. Opis stanowiska laboratoryjnego

Rysunek 5 przedstawia schemat ideowy stanowiska laboratoryjnego. Głównym elementem

jest scalony stabilizator impulsowy LM2576-ADJ, którego napięcie wyjściowe może być

regulowane od 5 V do 15 V. Elementami zewnętrznymi wyprowadzonymi na płytę czołową

są : kondensatory wejściowy i wyjściowy, dioda Schottky-go, dławik oraz żarówki pełniące

role obciążenia.

Rys. 5. Schemat stanowiska laboratoryjnego

Rys. 6. Struktura wewnętrzna stabilizatora impulsowego LM2576-ADJ

6. Przygotowanie do pracy w laboratorium (część projektowa ćwiczenia)

6.1. Ustal napięcie wyjściowe stabilizatora impulsowego napięcia stałego. Jego wartość ma być
równa U

wy

= 5+0,5x [V], gdzie x jest numerem zespołu, który stanowisz w grupie laboratoryjnej.

Oblicz współczynnik wypełnienia impulsów sterujących, pozwalający uzyskać wybraną wartość
napięcia wyjściowego. Przyjmij, że wartość napięcia wejściowego stabilizatora jest równa 15V.
Wiedząc, że przerwa między impulsami sterującymi wynosi 15

µ

s oblicz czas trwania tych

impulsów.
Znając indukcyjność cewki L1=100 µH, oblicz krytyczny prąd obciążenia stabilizatora. Umieść

wyniki obliczeń w sprawozdaniu.

6.2. Narysuj przebiegi prądów w cewce L1, tranzystorze regulacyjnym i diodzie D1 dla
obciążenia krytycznego oraz wybranych wartości pod- i nadkrytycznego prądu obciążenia.
6.3. Zaprojektuj schemat blokowy układu pomiarowego, umożliwiający badanie podstawowych
parametrów zasilacza (napięcie wyjściowe, charakterystyka wyjściowa, sprawność itd.).
6.4. Określić teoretyczną sprawność energetyczną impulsowego układu obniżającego napięcie
i porównać ją ze sprawnością stabilizatora ciągłego.

7. Praca w laboratorium (część doświadczalna ćwiczenia)

7.1. Badanie stabilizatora impulsowego

•

Dokonaj obserwacji oscyloskopowych i zarejestruj wybrane przebiegi

stabilizatora impulsowego używając sond napięciowych i prądowych.
Obserwując kształt prądu tranzystora, cewki lub diody, określ prąd
krytyczny

stabilizatora.

Zanotuj

wynik,

zarejestruj

oscylogramy

wspomnianych prądów dla tego oraz kilku różnych prądów obciążenia (w
tym dla obciążenia prądem maksymalnym).

•

Ustaw prąd obciążenia nieznacznie większy od prądu krytycznego. Zmierz

napięcie wejściowe i wyjściowe. Wyjaśnij ewentualne rozbieżności
otrzymanych wyników z wcześniej wykonanymi obliczeniami. Wyjaśnij
kształty narysowanych przebiegów i przyczyny zmian przy różnych
prądach obciążenia.

•

Zmierz charakterystykę wyjściową stabilizatora w całym zakresie

możliwych do uzyskania zmian prądu obciążenia dla U

WE

=15 V. Zanotuj

wyniki, wykreśl tę charakterystykę. Wyjaśnij jej kształt.

•

Wyznacz zależność prądu krytycznego w funkcji współczynnika

wypełnienia i wartości oddawanej mocy.

•

Wyznacz sprawność stabilizatora w funkcji napięcia wejściowego i prądu

obciążenia.

•

Zaobserwuj i wyjaśnij wpływ parametrów układu na tętnienia napięcia

wyjściowego.

8. Pytania kontrolne

Narysuj schemat i omów zasadę działania stabilizatora podwyższającego,

obniżającego i odwracającego napięcie.

Narysuj przebiegi napięć i prądów tranzystora, diody, dławika i kondensatora

wyżej wymienionych przekształtników.

Co to jest prąd graniczny obciążenia?

Kiedy prąd dławika jest ciągły i nieciągły?

W jaki sposób dla układu LM2576-ADJ dobiera się zewnętrzne rezystancje w

zależności od napięcia wyjściowego?

9. Wymagania BHP

Warunkiem przystąpienia do realizacji ćwiczenia jest zapoznanie się z obowiązującą
w laboratorium instrukcją BHP oraz przestrzeganie w niej zawartych zasad.

LITERATURA

1.

J. Baranowski, G. Czajkowski ,Układy elektroniczne cz. II - Układy analogowe

nieliniowe i impulsowe. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 2004r.

2.

Ödön Ferenczi. Zasilanie układów elektronicznych, Wydawnictwa Naukowo-

Techniczne Warszawa 1989r.

3.

U. Tietze, Ch. Schenk. Układy półprzewodnikowe, Wydawnictwa Naukowo-

Techniczne Warszawa 2009r.

4.

Piotr Górecki. Przetwornica impulsowa, „Elektronika dla wszystkich”, nr 3,1999r.

Będę niezmiernie wdzięczny za wszelkie propozycje zmian przesłane na adres

[e-mail]

w celu udoskonalenia niniejszego opracowania.

dr hab. inż. Jakub Dawidziuk, prof. PB