WSTĘP TEORETYCZNY

Energoelektronika jest to gałąź elektroniki zajmująca się układami elektronicznymi dużej mocy. Obejmuje ona analizę, projektowanie, sterowanie i zastosowanie przyrządów półprzewodnikowych dużej mocy oraz układów energoelektronicznych.

W układach energoelektronicznych do regulacji mocy prądu stałego stosuje się szeregowy rezystor regulacyjny lub też sterowanie PWM.

Pierwszy regulator składa się z zasilacza B1, rezystora obciążenia R_L i szeregowego rezystora redukcyjnego. Zaletą jest bezwątpienia prosta budowa, zaś wada jest niska sprawność.

Regulacja liniowa mocy zupełnie inaczej przebiega stosując sterowanie PWM (pulse width modulation). Do regulacji mocy stosuje się element kluczujący tzw. klucz. Jako klucz stosuje się przekaźnik, lub też element półprzewodnikowy a w szczególności tranzystor bipolarny lub polowy. Układ składa się oprócz źródła napięcia i rezystora obciążenia także z bloku REG, który steruje załączaniem klucza.

Steruje klucz napięciem prostokątnym o stałej częstotliwości f ₀ natomiast o zmiennym współczynniku wypełnienia. Współczynnik wypełnienia jest t stosunek czasu załączenia klucza do czasu załączenia i wyłączenia klucza, wyraża się w procentach i opisuje się wzorem:

Podczas badań będziemy się posługiwać dwiema makietami. Jedna z nich zawiera jako klucz tranzystor bipolarny npn typu Darlington, zaś druga zawiera tranzystor unipolarny typy MOSFET. W pierwszej makiecie do załączenia klucza nie jest wymagany dodatkowy wzmacniacz prądowy, gdyż wystarczy niewielkiej mocy sygnał. Tranzystor unipolarny w drugim przypadku charakteryzuje się większą opornością wejściową oraz dużo krótszym czasem załączania i wyłączania.

CELE ĆWICZENIA

Obserwacja wpływu wzrostu amplitudy sygnału na kształt sygnału na kolektorze. Obserwacja wpływu współczynnika wypełnienia na jasność świecenia żarówki. Określenia maksymalnej częstotliwość użyteczną pracy klucza.

1. SCHEMAT UKŁADU POMIAROWEGO

• Układ z tranzystorem typu Darlington

• Układ z tranzystorem typu MOSFET

2. TRANZYSTOR B IPOLARNY

• Obserwacja żarówki podczas zmiany współczynnika wypełnienia (zakres 20-80%) dla
  

- wraz ze wzrostem współczynnika wypełnienia zmienia się jasność żarówki, co wiąże się z dostarczeniem większej mocy (co można zauważyć na ekranie oscyloskopu)

• Badanie maksymalnej częstotliwości użytkowej (wsp. wypełnienia 50%)

- dla 10 kHz - czas narastania jest znikomy (linia wciąż prosta)

- dla 20 kHz - czas narastania wzrósł dwukrotnie lecz nadal jest niewielki

- dla 30 kHz - czas narastania jest nadal w przybliżeniu ¼ czasu

załączania żarówki

- dla 40 kHz - czas narastania jest równy w przybliżeniu 1/3czasu

załączania żarówki

- dla 50 kHz - czas narastania pokazuje że praktycznie nie ma gaszenia

Przy 50kHz stopień „zepsucia” przebiegu prostokątnego jest znaczny, powiedzielibyśmy nawet stromy. Wnioskujemy zatem, że
im większa częstotliwość tym tranzystor nie nadąża z przełączaniem i żarówka lepiej świeci.

• Pomiar czasu narastania załączania dla
  przy amplitudzie maksymalnej:

Czas opadania:

• Pomiar czasu narastania załączania dla
  przy amplitudzie minimalnej:

• 
  

Czas opadania:

• Rzeczywisty współczynnik wypełnienia

Tak jak 3 do 1

3. TRANZYSTOR UNIPOLARNY

• Obserwacja żarówki podczas zmiany współczynnika wypełnienia dla
  

- wraz ze wzrostem współczynnika wypełnienia zmienia się jasność żarówki, co wiąże się z dostarczeniem większej mocy, (co można zauważyć na ekranie oscyloskopu)

• Badanie maksymalnej częstotliwości użytkowej (współczynnik wypełnienia 50%)

- dla 50 kHz - czas narastania pokazuje że praktycznie nie ma gaszenia

żarówki-jest to maksymalna częstotliwość

4. WNIOSKI

Przeprowadzone doświadczenie pozwoliło nam na zapoznanie się z mechanizmem działania regulatora mocy. Najprostszy układ na bazie szeregowego regulatora redukcyjnego był nam wcześniej znany, jednakże nie zdawaliśmy sobie sprawy z jego bardzo niskiej sprawności. Zdobyta wiedza i możliwość sterowania ukałdami z elementem kluczującym ukazała nam w prosty sposób zasadę działania np regulatorów oświetlenia instalowanych w puszce podtynkowej.

Zarówno układ z tranzystorem bipolarnym jak i unipolarnym zachowywał się identycznie wraz ze wzrostem współczynnika wypełnienia. Ciekawym efektem wizualnym była zmiana częstotliwości migania żarówki w miarę zmieniania częstotliwości sygnału. Do kilkudziesięciu Hz żarówka stopniowo migała co raz szybciej by następnie, w miarę ze zwiększaniem częśtości, świecić już ciągle. Zanik migania spowodowany jest szybkością reakcji żarnika żarówki.

Badanie maksymalnej częstości użytkowej przy pomocy oscyloskopu ukazało nam zmiany jakie zachodzą w sygnale sterującym przy zmianie częstotliwości. Do około 25kHz nie widać wielkich różnic w kształcie sygnału, jednakże dla wartości wyższych widać już wydłużenie czasu narastania, który to dla 50kHz powoduje praktycznie brak wyłączania żarówki. Zatem im większa częstotliwość, tym tranzystor nie nadąża z przełączaniem i żarówka świeci lepiej, co jednak utrudnia sterowanie jej mocą.

---