Stabińska Magdalena

Rakowski Adrian

Wawiernia Tomasz

III Elektronika Morska

PÓŁPRZEWODNIKOWE

PRZYRZĄDY MOCY

LABORATORIUM 2009

PRZETWORNICE DŁAWIKOWE

1.Wprowadzenie.

Celem ćwiczenia było zapoznanie się z właściwościami dwóch podstawowych typów przetwornic dławikowych napięcia stałego – przetwornic BUCK i BOOST.

Przetwornica napięcia stałego jest urządzeniem zasilającym zmieniającym wartość napięcia stałego podanego na jej wejście na napięcie pożądane, które może mieć wartość mniejszą (jak w przypadku przetwornicy BUCK) bądź większą (przetwornica BOOST) od napięcia wejściowego. Przeważająca ilość przetwornic wykorzystuje element indukcyjny, w którym gromadzona jest chwilowo energia i gdzie dokonywana jest transformacja napięcia. Przetwornice zasadniczo dzielą się na układy z izolacją galwaniczną między wejściem a wyjściem lub też układy bez izolacji. Do tej drugiej grupy należą właśnie przetwornice dławikowe, wśród których z kolei wyróżniamy dwa rodzaje przetwornic – przetwornice jednotaktowe i dwutaktowe. W tych pierwszych moc jest pobierana z wejścia i

przekazywana do wyjścia jednocześnie (w jednym takcie przebiegu impulsowego), w tych drugich natomiast, energia jest pobierana z wejścia i magazynowana tylko przez część okresu, a potem przekazywana do obciążenia. Przykładem przetwornicy jednotaktowej jest przetwornica BUCK, natomiast dwutaktowej – przetwornica BOOST. Układy przetwornic, zarówno obniżającej napięcie (BUCK), jak i podwyższającej napięcie (BOOST), składają się z tych samych podstawowych elementów: przełącznik, dławik, diodę usprawniającą oraz kondensator wyjściowy, którego rolą jest eliminacja stanu nieustalonego przy przełączaniu. Jednakże rozmieszczenie tych elementów w topologii obu układów jest różne (rysunek 1.1). W układach badanych w laboratorium rolę klucza pełnił tranzystor MOS mocy.

Rys.1.1.

Schematy badanych przetwornic: a) BUCK, b) BOOST

W ćwiczeniu laboratoryjnym badaliśmy przetwornice BUCK oraz BOOST w układach z otwartą oraz zamkniętą pętlą sprzężenia zwrotnego.

2. Charakterystyki napięciowe badanych przetwornic.

Dla wszystkich czterech badanych układów dokonaliśmy pomiaru zależności napięcia wyjściowego Uwy w funkcji napięcia wejściowego Uwe. W przypadku przetwornicy BUCK z otwartą pętlą sprzężenia zwrotnego pomiarów dokonaliśmy dla dwóch wartości napięcie odniesienia UREF, wynoszących 1.5V i 2.5V. Charakterystyki te przedstawione są na rysunku 1.2.

Tabela dla Uref=1,5V

Uwy	0,24	0,5	0,82	1,13	1,65	1,77	2,14	2,37	2,75	3,06	3,51
Uwe	1,32	2,9	4,48	6,6	7,58	9,01	10,71	12,04	13,63	14,07	16,68

3,98	4,21	4,5	4,78	5,2	5,49	5,91	6,23	6,62	6,83
18,18	19,53	20,5	22	23,5	25	26,5	28	29,5	30,5

Tabela dla Uref=2,5V

Uwy	0,26	0,76	1,28	1,8	2,31	2,75	3,21	3,62	4,1	4,52	4,98
Uwe	1,61	2,95	4,46	6,03	7,5	8,96	10,49	11,94	13,59	15,05	16,5

5,67	5,86	6,16	6,61	7,05	7,42	7,89	8,32	8,55	8,8
18,13	19,48	20,5	22	23,5	25	26,5	28	29,5	30,4

Rys 1.2

Jak widzimy na rysunku 1.2 napięcie wejściowe jest większe od napięcia wyjściowego,co zgadza się z wiadomościami przedstawionymi w punkcie 1.1.

Ponadto zauważamy, iż wartość napięcia odniesienia ma wpływ na charakterystykę.

Zależność tych wartości dla dwóch wartości rezystancji obciążenia R przedstawia

rysunek 1.3.

Tabela dla R1=20Ω

Uwy [v]	0,033	1,98	2,49	2,39	4,3	4,81	5,34	5,59	5,91	5,99	6,4	6,87	6,89	6,89
Uref [v]	0,9	0,95	1	1,25	1,5	1,75	2,01	2,25	2,49	2,77	3,01	3,26	3,54	4,28

Tabela dla R2=10Ω

Uwy [v]	0,375	1,51	2,37	3	3,46	3,83	4,25	4,73	5,04	5,83	6,18	6,17	6,17
Uref[v]	0,93	1	1,25	1,48	1,77	2,01	2,26	2,54	2,79	3,09	3,27	3,51	4,28

Rys 1.3

Jak widzimy na rysunku 1.3 z początku zależność ta ma charakter w przybliżeniu kwadratowo narastający, jednakże od pewnej wartości napięcia odniesienia napięcia wyjściowe przestaje znacznie narastać. Ponadto widzimy, iż zmniejszenie obciążenia spowodowało zmniejszenie wartości napięcia wyjściowego.

Podobnych pomiarów dokonaliśmy dla przetwornicy BOOST z otwartą pętlą sprzężenia zwrotnego. Jak widzimy na rysunku 1.4 napięcie wyjściowe przyjmuje wartości większe od napięcia wejściowego, czyli możemy uznać, iż pomiary zostały wykonane poprawnie

Tabela dla przetwornicy BOOST Uref=1,5V

Uwy[V]	0,87	2,2	5,14	7,03	9,2	10,47	12,32	14,14
Uwe[V]	1,3	2,8	4,9	6,5	8,4	9,5	11	12,5
15,79	17,21	19,67	21,3	23,6	25,3	27,7	29,8
13,8	15,2	17,4	18,6	20,5	22	24,1	26

Tabela dla przetwornicy BOOST Uref=2,5V

Uwy[V]	1,6	4,2	6,8	10,4	12,5	15	17,9	20,9
Uwe[V]	1,3	3,4	5,2	7,8	9,3	10,9	13,1	15,1
23,2	25,4	27,4	29,8	32,2	34,7
16,7	18,2	19,7	21,3	23	24,9

Rys 1.4

Tabela dla przetwornicy BOOST R1=60Ω

Uwy [V]	13,9	14,3	14,9	16,8	18,5	20,6	22,9	24,6	24,6	24,6
uref[V]	0,49	0,89	1	1,56	2,04	2,57	3,02	3,57	4,12	4,28

Tabela dla przetwornicy BOOST R1=30Ω

Uwy[V]	13,3	14	15,9	16,9	18,1	19,1	21,4	23,4	23	23,3
Uref[V]	0,49	0,93	1,52	1,86	2,22	2,48	3,02	3,64	4,2	4,29

Rys1.5

Charakterystyki Uwy(Uwe) przetwornic BUCK (rys.1.6) jak i BOOST (rys.1.8) w układach z zamkniętą pętlą sprzężenia zwrotnego, również są zgodne z naszymi oczekiwaniami.

Pomiary dla tych zależności były dokonywane dla dwóch wartości napięcia

zadanego UERR (UERR1=1V i UERR2=1,6V), jednakże nie stwierdziliśmy wpływu tego

parametru na charakterystyki Uwy(Uwe). Wykres zależności Uwy(UERR) dla przetwornicy BUCK przedstawiony jest na rysunku 1.7, natomiast dla przetwornicy BOOST na rysunku 1.9.

Tabela dla przetwornicy BUCK z zamkniętą pętlą sprzężenia zwrotnego.

Dla Uerr=1V

Uwy[V]	2,38	3,1	3,66	4,31	4,88	5,34	5,96	6,43	7,38
Uwe[V]	7,1	9	10,3	12,3	13,7	15,1	16,7	18	19,8
7,61	8,16	8,72	9,18	9,67	10,11	10,68	10,89
21,2	22,8	24,5	25,8	27,2	28,6	30	30,5

Dla Uerr=1,6V

Uwy[v]	1,81	2,33	2,95	3,53	4,06	4,51	5,09	5,88	6,48
Uwe[v]	5,5	7	8,9	10,1	11,7	13	14,4	16,6	18,2
7,11	7,65	8	8,68	9,12	9,7	10,27	10,85
20	21,5	22,9	24,6	25,8	27,4	28	30,5

Tabela dla pomiarów charakterystyki Uwy(Uerr)

Uwy[V]	7,1	6,94	2,12
Uerr[V]	0,6	1,96	1,96

Rys 1.7

Tabela dla przetwornicy BOOST z zamkniętą pętlą sprzężenia zwrotnego

Dla Uerr=1V

Uwy	1,7	2,4	2,8	3,2	4,9	5,4	5,7	6,2	8,1	9,5	10,7	11,5	13,1
uwe	1,2	1,8	22	2,2	3,2	3,5	3,7	4	5	5,8	6,6	7,1	8

Dla Uerr=1,6V

uwy	1,6	2	2,7	4,2	5,5	6	7	7,7
uwe	1,3	1,5	1,9	2,6	3,5	3,9	4,4	4,8
8,4	9,9	10,9	12,2	14,2	16,5	18,2	22,1
5,2	6,1	6,7	7,4	8,7	9,9	10,9	13,3

Rys 1.8

Wyniki pomiarów charakterystyk Uwy(UERR) badanej przetwornicy BOOST

z zamkniętą pętlą sprzężenia zwrotnego.

Uwy [V]	23,1	14,2	14,2
Uerr [V]	1,96	2,38	2,06

3. Charakterystyki prądowo-napięciowe przetwornicy BOOST

w układzie z zamkniętą pętlą sprzężenia zwrotnego.

Pomiary zależności prądów wejściowego Iwe i wyjściowego Iwy od napięcia zadanego UERR

badanej przetwornicy BOOST z zamkniętą pętlą sprzężenia zwrotnego.

Iwy[A]	0,388	0,238	0,238
Uerr[V]	1,96	2,38	2,06
Iwe [A]	0,72	0,25	0,25
Uerr [V]	1,96	2,38	2,06

Niestety wykonaliśmy zbyt mało pomiarów, aby narysować sensowną charakterystykę.

4. Sprawność energetyczna badanych przetwornic.

Sprawność energetyczna η przetwornicy opisana jest poniższym wzorem:

Z pomiarów dokonanych przy maksymalnej wartości napięcia odniesienia dla układów z otwartą pętlą sprzężenia zwrotnego odczytaliśmy wartości prądów i napięć na wejściu oraz wyjściu przetwornicy BUCK i BOOST. W przypadku układów z zamkniętą pętlą sprzężenia zwrotnego wartości napięcia wyjściowego oraz prądów na wejściu i wyjściu przetwornic odczytaliśmy przy wartości napięcia wejściowego wynoszącego około 20V. Podstawiając do wzoru 1.1 pomierzone wartości dla kolejnych przetwornic obliczamy ich sprawności energetyczne.

• Przetwornica BUCK z otwartą pętlą sprzężenia zwrotnego:

η = (383[mA]·6,89[V])/(185[mA]·20[V]) = 0,71.

• Przetwornica BUCK z zamkniętą pętlą sprzężenia zwrotnego:

η = (37[mA]·7,01[V])/(179[mA]·20[V]) = 0,72.

• Przetwornica BOOST z otwartą pętlą sprzężenia zwrotnego:

η = (423[mA]·25,1[V])/(883[mA]·20[V]) = 0,60.

• Przetwornica BOOST z zamkniętą pętlą sprzężenia zwrotnego:

η = (632[mA]·18,7[V])/(643[mA]·20[V]) = 0,91.

Jak wynika z obliczeń spośród badanych przetwornic najwyższą sprawnością

charakteryzuje się przetwornica BOOST z zamkniętą pętlą sprzężenia zwrotnego

(91%), najniższą natomiast przetwornica BOOST z otwartą pętlą sprzężenia zwrotnego (60%).

5. Zakresy regulacji badanych przetwornic.

Dla badanych układów dokonaliśmy pomiarów czasu trwania impulsu tW sterującego tranzystor IFR840 (pełniącego rolę klucza) od napięcia odniesienia UREF - w przypadku układów z otwartą pętlą sprzężenia zwrotnego, bądź też od napięcia zadanego UERR – dla układów z zamkniętą pętlą sprzężenia zwrotnego.

Niestety nie zanotowaliśmy wartości okresu sygnałów sterujących, więc nie mogliśmy oszacować zakresów regulacji dla idealnych przełączników,

oraz wykonalism za mało pomiarów aby naszkicować sensową charakterystykę.

Wyniki pomiarów zależności tW(UREF) badanej przetwornicy BUCK

z otwartą pętlą sprzężenia zwrotnego.

tw[µs]	2,8	2,4	2,6	2,5
Uref	4,28	2,82	3,11	2,94

Wyniki pomiarów zależności tW(UREF) badanej przetwornicy BOOST

z otwartą pętlą sprzężenia zwrotnego.

tw[µs]	2,7	2,6	2,5
uref	0,58	1,96	1,98

Wyniki pomiarów zależności tW(UERR) badanej przetwornicy BUCK

z zamkniętą pętlą sprzężenia zwrotnego.

tw[µs]	2,5	2,6	2,6
uref	3	4	4,29

Wyniki pomiarów zależności tW(UERR) badanej przetwornicy BOOST

z zamkniętą pętlą sprzężenia zwrotnego.

R1=30

tw[µs]	2,2	1,4	0,6
uref	1,985	1,983	1,982

R2=60

tw[µs]	2,4	1
uref	1,982	1,983