PRACA PRZEJŚCIOWA

Z

PROJEKTOWANIA UKŁADÓW ANALOGOWYCH

Temat: Przetwornica napięcia z 5V na ±12V

Wstęp

Celem mojej pracy było zaprojektowanie układu, który miał za zadanie powielać napięcie wejściowe. Napięcie zasilania (wejściowe) wynosi +5V, natomiast napięcia wyjściowe zgodnie z założeniem projektu miały wynosić odpowiednio +12V i -12V. Projekt został oparty na zwykłym powielaczu napięcia, z zastosowaniem odpowiednio sterowanych kluczy tranzystorowych. Zaletą układu jest to, że na wyjściu mamy dwa napięcia dodatnie i ujemne, natomiast wadą układu jest bardzo mała wydajność prądowa.

Schemat blokowy układu

Jak widać na schemacie blokowym układ składa się z czterech bloków. Pierwszym z nich jest generator przebiegu prostokątnego, który będzie sterował kluczami tranzystorowymi, tak aby w odpowiedni sposób przeładowywały one kondensatory w blokach powielaczy napięcia. Napięcie wejściowe U_we=5V, natomiast napięcie wyjściowe powinno wynosić U_wy=12V.

Realizacja poszczególnych bloków

1. Generator fali prostokątnej

Generator zrealizowano z wykorzystaniem układu scalonego zrealizowanego w technice TTL. Do budowy generatora wykorzystano inwertery 7404 z serii LS. W układzie tym rezystor linearyzuje jeden z inwerterów, co poprawia pewność wzbudzenia się drgań tego generatora. Kondensator C1 zapewnia sprzężenie zwrotne. Okres przebiegu na wyjściu jest określony poniższym wzorem.

2. Klucze tranzystorowe

Klucze tranzystorowe zbudowano w oparciu o tranzystor npn i pnp. Takie połączenie tranzystorów zapewnia, że w danej chwili gdy na wejściu mamy stan wysoki to będzie przewodził tranzystor T1, a gdy mamy stan niski przewodził będzie tranzystor T2.

3. Układ powielacza napięcia i jego zasada działania

Układ składa się z dwóch identycznych powielaczy napięcia sterowanych kluczami S1, S2, S3 i S4, połączonych z źródłami zasilania V1 i V2.

Zakładamy, że w pierwszej fazie powielania napięcia klucze S2 i S3 są zwarte. W takim układzie ładuje się — poprzez diodę D1 — kondensator C1 do napięcia zasilania V1. U_C1=V1.

Po naładowaniu się kondensatora C1, następuje przełączenie kluczy
i teraz zwarte są S1 i S4. Jak widać kondensator C4 ładuje się poprzez diodę D4 i klucz S4 do napięcia zasilania V2, wynika stąd, że napięcie U_C4=V2. Równocześnie w takim układzie ładuje się kondensator C2 poprzez klucz S1, kondensator C1 oraz klucz S4. Napięcie na kondensatorze C2 będzie wynosiło napięcie zasilania V1 powiększone o napięcie U_C1 (U_C2=V1+U_C1).

Znowu następuje przełączenie kluczy i znowu przewodzą klucze S2 i S3. Tym razem ładuje się kondensator C5 poprzez klucz S3, kondensator C4 diodę D5 i klucz S2. Wartość napięcia na tym elemencie wynosi U_C5=U_C4+V2. Dodatkowo ładuje się kondensator C3, poprzez klucz S3, kondensator C2, diodę D3 i klucz S2. Napięcie U_C3=U_C2+V2. Również rozpoczyna się powtórny cykl ładownia kondensatora C1.

Przy ponownym przełączeniu kluczy, ładuje się nam kondensator C6, poprzez klucz S1, kondensator C5, diodę D6 i klucz S4. Tym sposobem na kondensatorze C6 mamy napięcie równe co do wartości napięciu V1+U_C5. Jeżeli przyjmiemy, że napięcia V1=V2=Vz to na kondensatorach C3 i C6 mamy takie same napięcia równe:

Przyjmując napięcie zasilania Vz=5V, na wyjściu układu mamy napięcie 15V, w zależności jak podłączymy się do okładek kondensatorów C3 i C6, będziemy mieli, albo napięcie dodatnie, albo ujemne.

Schemat ideowy przetwornicy napięcia

Powyżej znajduje się schemat ideowy przetwornicy napięcia. Układ jest zasilany napięciem +5V. Role kluczy S1 i S3 spełniają tranzystory T3 i T4, natomiast odpowiednikiem kluczy S2 i S4 są tranzystory T1 i T2. Rezystory R2 do R5 mają za zadanie ograniczyć prąd baz tranzystorów. Przełączaniem kluczy, tak jak to omówiono w poprzednim rozdziale „zajmuje” się generator prostokątny, z którego bezpośrednio podawany jest sygnał na klucz T3 i T1,
a na klucz T4 i T2, sygnał ten podawany jest poprzez bramkę NOT, tak aby zapewnić przeciwną polaryzacje kluczy. Ponieważ w poprzednim rozdziale przyjęliśmy, że diody są idealne to napięcie na wyjściu było równe U_C6=U_C3=15V. W układzie rzeczywistym na diodach wystąpi spadek napięcia wobec czego napięcie wyjściowe będzie pomniejszone o ten spadek i będzie wynosić:

Ponieważ spadek na diodzie wynosi ok. 0.6 V to npięcie wyjściowe będzie równe:

Pomiary laboratoryjne

1. Pomiar napięcia wyjściowego względem obciążenia, dla dwóch częstotliwości kluczowania dla U_WE=5V.

1. Dla f_gen=15,15 [kHz]

Robc [Ω]	Iobc [mA]	UWY [V]
100k	0,12	13,02
90k	0,14	13,02
80k	0,15	12,95
70k	0,18	12,86
60k	0,21	12,82
50k	0,24	12,82
40k	0,31	12,74
30k	0,41	12,66
20k	0,61	12,56
10k	1,2	12,36
9k	1,34	12,34
8k	1,52	12,30
7k	1,68	11,91
6k	2,01	11,72
5k	2,34	11,63
4k	2,88	11,62
3k	3,79	11,62
2k	5,56	11,59
1k	10,62	10,71
900	11,64	10,55
800	13,05	10,34
700	14,38	10,10
600	16,35	9,81
500	18,96	9,40
400	22,15	8,85
300	27,10	8,03
200	35,15	6,74
100	47,10	4,46

2. Dla f_gen=1,515 [kHz]

Robc [Ω]	Iobc [mA]	UWY [V]
100k	0,12	12,69
90k	0,13	12,64
80k	0,15	12,64
70k	0,17	12,64
60k	0,20	12,64
50k	0,25	12,63
40k	0,31	12,56
30k	0,41	12,51
20k	0,61	12,44
10k	1,20	12,17
9k	1,33	12,16
8k	1,50	12,14
7k	1,71	12,13
6k	2,00	12,05
5k	2,37	12,00
4k	2,92	11,82
3k	3,87	11,75
2k	5,71	11,56
1k	10,89	11,04
900	12,00	10,91
800	13,29	10,76
700	14,86	10,54
600	16,89	10,26
500	19,46	9,87
400	23,00	9,35
300	28,70	8,76
200	37,00	7,54
100	50,34	5,17

2. Wykres zależności napięcia wyjściowego względem obciążenia na podstawie przeprowadzonych pomiarów

Jak wynika z otrzymanych pomiarów, na wyjściu układu otrzymujemy powielone napięcie wejściowe, około 3 razy (pomniejszone o spadki napięć na diodach). Jednak wraz ze wzrostem prądu obciążenia można zauważyć spadek napięcia wyjściowego. Wynika to stąd, że kondensatory nie „nadążają”
z przeładowywaniem się. Pomiary przeprowadzono dla dwóch częstotliwości. Jak widać dla częstotliwości fgen=1,515 kHz prąd przy którym napięcie wyjściowe jest równe ok. 12V, jest większe o 1mA niż dla częstotliwości fgen=15,515 kHz. Poza tym, przy obciążeniu układu prądem w granicach 50mA, na wyjściu dla drugiego pomiaru napięcie jest trochę większe od napięcia zasilania, natomiast dla pomiaru pierwszego na wyjściu otrzymujemy napięcie niższe niż napięcie zasilania.

Projekt obwodu drukowanego dla układu przetwornicy

Wykaz elementów

Nazwa	Typ	Ilość sztuk
Tranzystor npn T1, T2	BD 139	2
Tranzystor pnp T3, T4	BD 140	2
Diody D1÷D6	1N4002	6
Kondensatory elektrolityczne C1÷C6	100 μF	6
Kondensator C7	100nF	1
	1μF	1
Rezystor R2÷R4	1k	4
R1	200Ω	1
Układ TTL IC1	7404	1
Połączenia śrubowe X1, X2, X3		3

Literatura

„Praktyczny elektronik” numery 4/96, 6/98

„Elektronika dla Wszystkich” numery 12/00, 3/99, 3/96, 7/96

Strony internetowe:

http://www.eletroda.pl/

http://www.elektro.prv.pl/

http://boss.iele.polsl.gliwice.pl/katalogi/

12

Generator

fali

prostokątnej

Zespół klu­czy tran­zystoro­wych

Powie­lacz na­pięcia dodat­niego

Powielacz napięcia ujemnego

U_wy

-U_wy

U_we

Wykonawca:

Marcin Szpakiewicz

WSZ sem. VII gr. E2

Rok szk. 2001/2002

---