Laboratorium Podstaw Energoelektroniki
dla studentów WIP
Temat:
Badanie przekształtnika podwyższającego napięcie
materiały pomocnicze do laboratorium elektroniki, elektrotechniki i energoelektroniki
wyłącznie do użytku wewnętrznego przez studentów WIP PW
bez prawa kopiowania i publikowania
Zakład Trakcji Elektrycznej
IME PW 2007
Wstęp
W wielu przypadkach istnieje konieczność przekazywania energii elektrycznej ze z
ródła o niskim
napięciu stałym do odbiornika wymagającego wyższego napięciu. Sytuacja taka ma na przykład
miejsce w obwodach głównych pojazdów elektrycznych z możliwością zwrotu energii wytracanej w
trakcie hamowania (rekuperacji) do układu zasilania (lub układu magazynowania energii).
Problem ten można rozwiązać za pomocą przekształtnika podwyższającego napięcie, zwanego
potocznie czoperem podwyższającym.
Przekształtniki podwyższające napięcie stałe stosowane są również w celu zapewnienia stałego
napięcia wyjściowego przy zmieniającym się napięciu wejściowym. Jest to więc forma stabilizatorów
dla układów zasilania, silników, przekształtników pracujących przy zmiennym napięciu zasilającym.
Stabilizację napięcia wyjściowego uzyskuje się przez regulację współczynnika wypełnienia-ł, w
zależności od napięcia wyjściowego i prądu obciążenia.
1. Zasada działania czopera podwyższającego napięcie
Rysunek 1 przedstawia schemat obwodu przekształtnika podwyższającego napięcie, przy czym
stycznik  S jest faktycznie zaworem sterowanym ("T") i realizowany jest za pomocą tranzystora lub
tyrystora z układem wyłączającym.
Rys. 1. Schemat obwodu czopera podwyższające napięcie
Czoper wykorzystuje cykliczne ładowanie i rozładowanie cewki w celu przekształcenia energii
elektrycznej o niskim napięciu na energię o napięciu wyższym (Uwy>Uwe). Układ pracuje dwustanowo:
Chwila zwarcia oznaczona indeksem "o" a otwarcia indeksem 1 .
a) Stan zwarcia stycznika (zawór sterowany przewodzi)
Gdy stycznik jest zwarty, schemat zastępczy układu można przedstawić jak na rysunku 2. W
przedziałach czasu, w których przewodzi zawór sterowany T, prąd iwe dławika zwiększa się pod
wpływem napięcia z
ródła zasilania Uwe.
1
Rys.2 Schemat zastępczy dla stanu zwarcia stycznika
Oczywiście w tej fazie pracy czopera spełnione jest:
uL = uwe
Cewka (dławik) L podłączona jest bezpośrednio do zasilania. Jej prąd narasta i opisany jest
wyrażeniem:
u
we
iwe (t) = Io + ( t - to ) (1)
L
gdzie: Io  prąd w chwili zwarcia stycznika S.
Cewka ładuje się energią zgodnie ze wzrostem prądu:
2
L �"i
el = (2)
2
Kondensator rozładowuje się przez obciążenie:
uc
iwy = (3)
Ro
Prąd w cewce w chwili otwarcia stycznika S osiągnie wartość maksymalną I1.
b) Stan otwarcia stycznika S
Po wyłączeniu zaworu T prąd id płynie nadal przez dławik L, przekazując nagromadzoną energię
poprzez diodę D do obwodu odbiornika CR0. W czasie przewodzenia diody prąd dławika zmniejsza
się pod wpływem napięcia równego Uwy-Uwe. Dzięki diodzie D kondensator C, pełniący rolę filtru,
może rozładowywać się tylko w obwodzie odbiornika.
Po otwarciu stycznika S układ redukuje się do połączenia szeregowego cewki z równoległą grupą R0C,
jak na z rysunku 3 (pomijając spadek napięcia na diodzie), dlatego:
Uwe = UL + Uwy
(4)
2
Rys.3 Schemat zastępczy dla stanu otwarcia stycznika S
Zgodnie z podstawowym prawem elektrotechniki, prąd płynący przez cewkę nie może przestać płynąć
natychmiastowo. Energia nagromadzona w cewce (w fazie pracy czopera z załączonym stycznikiem),
zgodnie ze wzorem (2), oddawana jest do obciążenia Ro i doładowuje kondensator C. Zmiana napięcia
na cewce wywołana jest zmianą pochodnej prądu. Cewka oddaje energię i następuje zmniejszenie
prądu.
di
uL = - L �" (5)
dt
Wartość prądu nie może opaść poniżej 0 ze względu na zabezpieczenie diodą D (rys.1).
Rys.4 Przebiegi napięć i prądu czopera podwyższającego
3
(W obwodach elektrycznych z indukcyjnościami i stycznikami z przerwą powietrzną, próżniową,
rozładowanie energii cewki przejawia się występowaniem łuku elektrycznego i przepięć).
Stosunek czasów tp (czas załączenia stycznika) do Ti (okres pracy układu) określany jest jako
współczynnik wypełnienia ł:
tp
ł = (6)
Ti
U = U + U (7)
wy L we
Pomijając rezystancję elementów składowych układu oraz zakładając, że napięcie odbiornika u0 nie
zawiera tętnień, można napisać:
tw
U = U (8)
we wy
Ti
Stąd:
�ł �ł
tw �ł t p �ł U
we
U = U = U = (9)
wy we
Ti we �ł1+ tw �ł t p
�ł łł
1-
Ti
Z powyższego równania widać, że średnia wartość napięcia odbiornika Uwy jest zawsze większa niż
napięcie z
ródła zasilania Uwe i może być regulowana tylko w górę poprzez zmianę względnego czasu
przewodzenia stycznika (zaworu sterowanego). Zmieniając ł możemy zatem uzyskać zmianę napięcia
wyjściowego.
W układzie idealnym może nastąpić dowolne podwyższenie napięcia, jeżeli układ nie ma dołączonej
rezystancji wyjściowej Ro. W rzeczywistych układach napięcie wyjściowe jest jednak ograniczone ze
względu na straty występujące w rzeczywistych elementach układu L, C, D, S.
W praktyce zakres zmian ł przyjmuje się w granicach od 0 do 0,5, ograniczając szczytową wartość
napięcia blokowania zaworu sterowanego i napięcia wstecznego diody do wartości 2Uwe. Tętnienia
prądu dławika (a więc również prądu z
ródła zasilania) "Iwe są największe dla ł =0,5.
Należy zauważyć, że w omawianym układzie obwód zasilania ma charakter prądowy (obecność
dławika L), natomiast obwód odbiornika ma charakter pojemnościowy (obecność kondensatora C).
Czoper pobiera prąd z zasilania o dużej zmienności.. Dla zmniejszenia tętnień prądu wejściowego i napięcia
wyjściowego stosuje się połączenie kilku czoperów pracujących równolegle.
4
Rys. 5 Oscylogramy napięcia wyjściowego i odpowiadające napięcia sterujące o różnym wypełnieniu
2. Czoper tranzystorowy
W przypadku tranzystorowego przekształtnika prądu stałego podwyższającego napięcie, jak na
rysunku 6, odbiornikiem może być hamowana prądnicowo maszyna prądu stałego, o zastępczym
schemacie R0L0E0. Prąd maszyny kontrolowany jest za pomocą układu zawierającego człon pomiaru
prądu i0 oraz regulator prądu RI0. Zadaniem układu regulacji jest generowanie impulsów sterujących
tranzystora T tak, aby wartość średnia prądu maszyny była utrzymywana na poziomie wartości
zadanej I0z. Funkcję indukcyjności magazynującej energię przy przewodzącym tranzystorze pełni
indukcyjność obwodu twornika maszyny L0. Przy załączonym tranzystorze pod wpływem napięcia
wewnętrznego E0 prąd maszyny zwiększa się od wartości I0z1 do I0z2.
5
Rys.6 Tranzystory przekształtnik prądu stałego podwyższający napięcie
Po włączeniu tranzystora prąd i0 płynie przez diodę D do z
ródła napięcia Ud, czyli zmniejsza się pod
wpływem napięcia Ud-E ponownie do wartości I0z1. Napięcie odbiornika, który w tym przypadku jest
z
ródłem energii, wyraża się wzorem:
t
�ł �ł
p
�ł �ł
U0 = U (10)
d
�ł1- �ł
Ti
�ł łł
Przepływ energii od odbiornika do z
ródła Ud oznacza, że charakterystyki zewnętrzne odbiornika
znajdują się w drugim kwadrancie układu współrzędnych, wyznaczonym przez wartości średnie prądu
i napięcia odbiornika.
3. Czoper dwupulsowy
Przekształtnik ten zbudowany jest z dwóch czoperów połączonych równolegle i pracujących na ten
sam odbiornik z kondensatorem. Poszczególne obwody pracują identycznie. Otwieranie i zwieranie
tranzystora T2 następuje z opóz
nieniem 0,5 T (pół okresu) w stosunku do T1. Pozwala to na
zmniejszenie tętnień prądu wejściowego jak również tętnień napięcia wyjściowego. W celu
ograniczenia gabarytów indukcyjności L oraz pojemności C stosuje się możliwie dużą częstotliwość
pracy - kilkaset Hz dla układów tyrystorowych oraz do kilkudziesięciu kHz dla układów
tranzystorowych.
L2
D2
L1
D1
0,5 T
T
1
Uster
T2
we wy
Uster
Rys.7 Schemat czopera dwupulsowego z tranzystorami jako stycznikami.
6
4. Realizacja ćwiczenia
Schemat ideowy stanowiska pomiarowego przedstawia rysunek 8 a wygląd aparatury  rys.9 i 10.
Rys.8 Schemat połączeń pomiarowych
Rys.9 Wygląd czopera na stanowisku pomiarowym
7
Rys.10 Wygląd płyty czołowej z
ródła zasilania dla czopera. Uwaga: nie zmieniać nastawy prądu (2A).
1). Ustawić indukcyjność 2L. Pomierzyć charakterystyki czopera 1 pulsowego i 2 pulsowego dla
napięcia zasilającego 10,1V i 20,1V. Rezystancje: jeden rezystor 250&! dwa szeregowo 500&!. Podczas
pomiaru z rezystancją  " należy od wyjścia odłączyć woltomierz i korzystać z woltomierza
wewnętrznego. Napięcie wyjściowe z czopera jest ograniczone do 230V.
Pomiary Obliczenia
Uwej Uwyj Iwej Iwyj Ro Pwej Pwyj
ł �
[V] [V] [mA] [mA] [W] [W] Pwy/Pw
&!
e
1p 0,1...0,7 250
1p 0,1...0,7 500
1p 0,02..0,3
"
2p 0,1...0,7 250
2p 0,1...0,7 500
2p 0,02..0,3
"
2). Zmierzyć charakterystykę wymaganego współczynnika wypełnienia (za pomocą oscyloskopu na
wyjściu K2) przy zmianie napięcia wejściowego.
Regulować ł tak, aby utrzymywać stałe napięcie wyjściowe przy różnych wartościach napięcia
wejściowego.
ł=f(Uwej) dla R=250&!, i Uwyj=const=28V dla czopera 1 i 2 pulsowego.
8
Uwej[V] 12,1 .... 24,1
Iwej[mA]
Pwej[W]
�
ł
3). Za pomocą oscyloskopu wyznaczyć amplitudy tętnień (w wartościach bezwzględnych i
procentowych) na wyjściu czopera: 1p i 2p, dla pojemności 1C i 2C przy napięciu zasilania 20,1 V dla
rezystancji R=250&! przy maksymalnym wysterowaniu (Uwyj około 50V). Narysować przebiegi dla
1p i 2p przy pojemności 2C.
Wykreślić wszystkie uzyskane charakterystyki. Wyjaśnić wpływ zmian pojemności wyjściowej,
liczby pulsów, rezystancji obciążenia na wartość tętnień.
Przykładowe pytania:
1. W jakich warunkach Uwyj czopera będzie niższe od zasilającego
2. Narysować schemat ideowy czopera 1pulsowego i wyjaśnić zasadę działania.
3. Narysować układ czopera 3pulsowego, wskazać wady i zalety w stosunku do 1pulsowego.
4. Narysować przebiegi elektryczne napięcia i prądu na cewce czopera 1pulsowego, podać wzory je
opisujące dla przypadku idealnego łącznika.
Literatura
Kaz
mierkowski M., Tunia H. Automatyka napędu przekształtnikowego. PN Warszawa 1987
Kacprzak J. , Koczara W. Podstawy napędu elektrycznych pojazdów trakcyjnych WKA

Warszawa 1960
9