1

Instrukcja do ćwiczenia laboratoryjnego.

IMPULSOWY PRZEKSZTAŁTNIK ENERGII Z TRANZYSTOREM SZEREGOWYM

Przekształtnik impulsowy z tranzystorem szeregowym służy do przetwarzania energii

prądu jednokierunkowego na energię prądu stałego o regulowanej średniej wartości napięcia.
Jednokierunkowe napięcie wejściowe przekształcane jest na ciąg impulsów prostokątnych o
amplitudzie odpowiadającej napięciu zasilania. Regulację napięcia wyjściowego, a zatem i
mocy dokonuje się dwoma metodami:

1. poprzez zmianę czasu trwania impulsów napięciowych przy stałej ich

częstotliwości (modulacja szerokości impulsu – z ang. Pulse Width Modulation
PWM), regulacja współczynnika wypełnienia

2. poprzez zmianę częstości załączeń przy stałym czasie trwania każdego

pojedynczego impulsu.

Obie metody różnią się jedynie sposobem sterowania tranzystora szeregowego będącego

przerywaczem obwodu podano na rysunku 1.

Rys.1. Schemat przekształtnika impulsowego z tranzystorem szeregowym

Głównym elementem w przedstawionym układzie przekazywania energii z

indukcyjnym obwodem ładowania jest dowolny tranzystor Tr (bipolarny, MOSFET, IGBT),
pełniący funkcję łącznika między źródłem zasilania U a odbiornikiem R. Tranzystor
szeregowy sterowany jest zawsze dwustanowo. Jest on załączony lub wyłączony. Unika się
jego stanów pośrednich prowadzących do niepotrzebnych strat mocy w tranzystorze.
Pomiędzy tranzystorem a odbiornikiem znajduje się obwód Dł, D, C, gromadzący i
uzupełniający przekazywaną energię.

W pierwszej fazie pracy przekształtnika wyzwolony tranzystor wymusza prąd i

ład

, który

podwyższa energię gromadzoną w elementach: indukcyjności L dławika Dł i pojemności C.
Dławik o indukcyjności L ogranicza rosnący prąd tranzystora podczas jego załączenia. Gdy
tranzystor przewodzi pojemność C jest ładowana poprzez dławik, w którym gromadzi się
energia magnetyczna. W czasie τ

on

załączonego tranzystora występuje przyrost prądu:

0

0

1

0

1

f

L

U

U

L

U

U

I

on

on

γ

τ

⋅

−

=

⋅

−

=

∆

(1)

gdzie: U

1

, U

0

są napięciami odpowiednio zasilania i wyjściowym, f

0

– częstością

powtarzanych impulsów,

0

f

on

⋅

=

τ

γ

- współczynnikiem wypełnienia.

Po wyłączeniu tranzystora energia zgromadzona w dławiku jest oddawana w obwodzie

D, Dł, C, R powodując przepływ prądu i

roz

. W drugiej fazie pracy przekształtnika istotną rolę

odgrywa dioda D, przejmująca przepływ ładunków zgromadzonych w obwodzie L, C. Gdy
tranzystor nie przewodzi zmienia się biegunowość napięcia na dławiku. W tym czasie τ

off

prąd

maleje według:

2

0

0

1

f

L

U

I

off

γ

−

⋅

=

∆

(2)

Ciągłość prądu ładującego i

ład

oraz rozładowującego i

roz

pozwala na przekazywanie

energii bez przepięć i przy zmniejszonych tętnieniach. Równowaga energetyczna w układzie
występuje gdy przyrosty i spadki prądu są sobie równe, czyli

0

0

0

0

1

1

f

L

U

f

L

U

U

γ

γ

−

⋅

=

⋅

−

(3)

a stąd

γ

⋅

=

1

0

U

U

.

Metody wyzwalania tranzystora szeregowego

Podstawowy cel jakim jest przetworzenie energii z jednego poziomu napięciowo-

prądowego na inny poziom uzyskuje się dotrzymując zasad wybranej metody sterowania
tranzystorem szeregowym. Gdyby można było zastosować dławik o nieskończonej
indukcyjności, to prąd wyjściowy nie wykazywałby żadnych wahań. Wówczas prądy
tranzystora i diody równałyby się średniej wartości prądu obciążenia. W praktycznych

układach indukcyjność posiada skończone wartości i na średnią wartość prądu

0

I

obciążenia

nakłada się prąd piłokształtny, którego amplituda zależna jest od indukcyjności dławika i
częstości taktowania załączania tranzystora. Maksymalny prąd ciągły może dwa razy większy

od prądu średniego

0

I

0

0

0

I

2

f

1

L

U

⋅

=

−

⋅

γ

(4)

Po dokonaniu w (4) następujących podstawień:

1

0

U

U

=

γ

,

0

0

0

U

P

I =

otrzymuje się zależność

określającą minimalną wartość indukcyjności przy której prąd dławika jest ciągły













−

⋅

⋅

⋅

=

max

1

0

min

0

0

2

0

min

U

U

1

P

f

2

U

L

(5)

gdzie P

0min

jest minimalną mocą wyjściową.

Przy określonej indukcyjności, wartość szczególna prądu obciążenia, przy której

chwilowy prąd dławika osiąga wartość zerową, wynosi

(

)

L

f

2

1

U

I

0

1

lim

⋅

⋅

−

⋅

=

γ

(6)

Na rysunku 2 przedstawiono przebiegi prądów dławika w zależności od jego

indukcyjności. Prądy te posiadają chwilowe wartości większe od średniego prądu obciążenia,
a ich amplitudy

Z

I

∆

(

) (

)

0

0

1

0

0

Z

f

L

2

U

U

f

L

2

1

U

I

⋅

⋅

⋅

−

=

⋅

⋅

−

⋅

=

∆

γ

γ

(7)

rosną wraz z malejącą indukcyjnością dławika lub częstością powtarzania impulsów
wyzwalających tranzystor. Z zależności tej wynika także sposób możliwej regulacji napięcia
wyjściowego U

0

, która może być prowadzona poprzez zmianę współczynnika wypełnienia γ

lub częstości załączeń f

0

.

3

Rys.2. Wpływ indukcyjności na przebiegi prądu dławika. Prąd tranzystora i

T

- linia ciągła i prąd diody

i

D

- linia przerywana.

Składowa zmienna o amplitudzie

Z

I

∆

większej od średniej wartości prądu obciążenia

0

I

powoduje przerwy w dopływie energii do odbiornika i cały ciężar wygładzania napięcia

spoczywa wówczas na kondensatorze C. Nie bez znaczenia jest wartość impedancji, a
zwłaszcza rezystancji odbiornika, gdyż w odróżnieniu od stałych czasowych

C

L ⋅

,

C

R ⋅

,

malenie R zwiększa stałą

R

L

. Wzrost tej stałej wpływa pozytywnie na tętnienia, które

maleją.

Regulacja napięcia poprzez zmianę współczynnika wypełnienia

Przetwarzanie poprzez zmianę czasu trwania impulsów napięciowych przy stałej ich

częstotliwości (modulacja szerokości impulsu – PWM) zwana także regulacją poprzez zmianę
współczynnika wypełnienia. W tego rodzaju regulacji przekazywania energii napięcie
wyjściowe jest proporcjonalne do współczynnika wypełnienia, a tętnienia prądu maleją, co
pokazano na rysunku 3.

Rys.3. Wpływ współczynnika wypełnienia na przebiegi prądu dławika

Regulacja napięcia poprzez zmianę częstości załączeń

Znacznie trudniejsza, ze względu na tętnienia, jest regulacja napięcia poprzez zmianę

częstości załączeń przy stałym czasie trwania każdego pojedynczego impulsu. Przykładowy
przebieg prądu dławika pokazano na rysunku 4.

Rys.4. Wpływ częstości załączeń przebiegi prądu dławika

4

A. Cel ćwiczenia.

A1. Poznanie układu obniżającego napięcie z indukcyjnym obwodem ładowania.
A2. Obserwacja stałych czasowych obwodu

R

L

oraz

C

R ⋅

i ich wpływu na tętnienia

przebiegów wyjściowych.

A3. Poznanie metod sterowania tranzystorem szeregowym pracującym jako regulator

przepływu energii.

A4. Przedstawienie roli diody w obwodzie ładowania i rozładowania energii gromadzonej w

indukcyjności dławika.

B. Badania.

Badania układu obniżającego napięcie z indukcyjnym obwodem ładowania należy

przeprowadzić na stanowisku zaprezentowanym na rysunku 5. Pomiary i obserwacje
sterowania współczynnikiem wypełnienia przeprowadzić w kolejności:

- wyznaczenie granicznej wartości prądu ciągłego w funkcji współczynnika

wypełnienia, przy stałych: napięciu zasilania, częstotliwości dla określonej
indukcyjności,

- wyznaczenie tętnień prądu dławika w zależności od rezystancji obciążenia dla kilku

wartości współczynnika wypełnienia, (sprawność)

- ustalenie roli pojemności kondensatora na tętnienia napięcia wyjściowego w funkcji

rezystancji obciążenia.

Pomiędzy punktem „a” a biegunem ujemnym należy dołączyć miernik częstotliwości i

współczynnika wypełnienia.

Rys. 5.

Układ obniżający napięcie z indukcyjnym obwodem ładowania

Badania układu ze sterowaniem częstotliwościowym. Wykonać próbę, poprzez

jednoczesną regulację współczynnika wypełnienia i częstotliwości, zachowania się układu
obniżającego napięcie i porównać efekty regulacyjne ze sterowaniem współczynnikiem
wypełnienia.

C. Opracowanie wyników.

C1. Określić sprawność energetyczną układu obniżającego napięcie z indukcyjnym obwodem

ładowania w zależności od obciążenia i porównać teoretycznie ze sprawnością regulatora
napięcia opartego na tranzystorowym szeregowym stabilizatorze ciągłym.

5

C2. Przedstawić zależność prądu krytycznego w funkcji współczynnika wypełnienia i

wartości oddawanej mocy.

C3. Podać wpływ częstości załączania tranzystora na tętnienia napięcia wyjściowego.
C4. Porównać układy regulacji napięcia stałego z łącznikiem sterowanym współczynnikiem

wypełnienia i częstotliwościowo.

C5. Wnioski i spostrzeżenia z wykonanych badań wstępnych i uzyskanych pomiarów.