Juliusz Hanus 08.12.97
Tomasz Gronowicz
SPRAWOZDANIE Z ĆWICZENIA NR 13
Temat: Zasilacze impulsowe-zasilacz stabilizowany.
Cel ćwiczenia: Zapoznanie się z właściwościami, typowymi parametrami, oraz zasadą działania zasilaczy impulsowych stabilizowanych i regulowanych. Poznanie sposobów na pomiary parametrów tego typu zasilaczy ze zwróceniem uwagi na oscylogramy napięć w różnych punktach układu.
A) Uproszczony schemat układu pomiarowego
B) Tabele z wynikami pomiarów
Tabela 1 (Zależność zmian współczynnika wypełnienia δ od napięcia stałego U10)
f=16kHz |
|
|
f=32kHz |
|
||||||||||
Lp |
U10 |
T |
t |
T-t |
δ |
|
U10 |
T |
t |
T-t |
δ |
|||
|
[V] |
[μs] |
[μs] |
[μs] |
[%] |
|
[V] |
[μs] |
[μs] |
[μs] |
[%] |
|||
1 |
0,5 |
65 |
59 |
6 |
9 |
|
0,5 |
30 |
26,5 |
3,5 |
12 |
|||
2 |
1 |
65 |
59 |
6 |
9 |
|
1 |
30 |
27,0 |
3,0 |
10 |
|||
3 |
1,5 |
58 |
52 |
6 |
10 |
|
1,5 |
30 |
27,0 |
3,0 |
10 |
|||
4 |
2 |
58 |
52 |
6 |
10 |
|
2 |
30 |
26,0 |
4,0 |
13 |
|||
5 |
2,5 |
58 |
50 |
8 |
14 |
|
2,5 |
30 |
25,0 |
5,0 |
17 |
|||
6 |
3 |
60 |
50 |
10 |
17 |
|
3 |
30 |
24,5 |
5,5 |
18 |
|||
7 |
3,5 |
60 |
48 |
12 |
20 |
|
3,5 |
30 |
22,0 |
8,0 |
27 |
|||
8 |
4 |
60 |
45 |
15 |
25 |
|
4 |
30 |
20,0 |
10,0 |
33 |
|||
9 |
4,5 |
59 |
38 |
21 |
36 |
|
4,5 |
30 |
16,0 |
14,0 |
47 |
|||
10 |
5 |
60 |
32 |
28 |
47 |
|
5 |
30 |
12,0 |
18,0 |
60 |
|||
11 |
5,5 |
60 |
24 |
36 |
60 |
|
5,5 |
30 |
10,0 |
20,0 |
67 |
|||
12 |
6 |
60 |
20 |
40 |
67 |
|
6 |
30 |
10,0 |
20,0 |
67 |
|||
13 |
6,3 |
60 |
30 |
30 |
50 |
|
6,3 |
30 |
15,0 |
15,0 |
50 |
|||
14 |
6,4 |
60 |
40 |
20 |
33 |
|
6,4 |
30 |
23,0 |
7,0 |
23 |
|||
gdzie: f - częstotliwość pracy przetwornicy
U10 - wartość napięcia stałego na wyprowadzeniu 10 UL1540
T - okres impulsów na wyjściu 6 UL1540, sterującego kluczem złożonym z
tranzystorów T1 i T2
t - czas trwania dodatniego impulsu na bazie tranzystora T1
δ - współczynnik wypełnienia impulsów na wyjściu 6 UL1540
Tabela 2 (Pomiary i wyznaczenie parametrów zasilacza stabilizowanego)
f=16kHz |
|||||||||
Lp |
U1 |
I1 |
U2 |
UE |
Icp=IE |
P1 |
P2 |
η |
|
|
[V] |
[A] |
[V] |
[mV] |
[A] |
[W] |
[W] |
[%] |
|
1 |
20 |
0,7 |
12,01 |
60 |
1,18 |
14,00 |
10,02 |
71,55 |
|
2 |
24 |
0,55 |
12,03 |
52 |
1,02 |
13,20 |
10,05 |
76,14 |
|
3 |
26,5 |
0,5 |
12,04 |
56 |
1,10 |
13,25 |
10,07 |
75,98 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
f=32kHz |
|||||||||
Lp |
U1 |
I1 |
U2 |
UE |
Icp=IE |
P1 |
P2 |
η |
|
|
[V] |
[A] |
[V] |
[mV] |
[A] |
[W] |
[W] |
[%] |
|
4 |
20 |
0,8 |
12,01 |
64 |
1,25 |
16,00 |
10,02 |
62,60 |
|
5 |
24 |
0,58 |
12,05 |
60 |
1,18 |
13,92 |
10,08 |
72,44 |
|
6 |
26,5 |
0,53 |
12,06 |
60 |
1,18 |
14,05 |
10,10 |
71,91 |
|
gdzie: f - częstotliwość pracy przetwornicy
U1 - wartość napięcia stałego zasilającego stopień z tranzystorem T2
przetwornicy
I1 - wartość prądu stałego pobieranego ze źródła napięcia U1
U2 - wartość napięcia stałego na wyjściu przetwornicy
UE - amplituda napięcia na rezystorze pomiarowym RE (10-krotnie mniejsza, gdyż na wejściu oscyloskopu umieszczono dzielnik napięcia 1:10)
Icp - amplituda prądu kolektora T2 (równego w przybliżeniu amplitudzie prądu emitera IE)
P1 - wartość mocy dostarczonej do przetwornicy z zasilacza napięcia U1
P2 - wartość mocy na obciążeniu przetwornicy Roo
η - współczynnik sprawności energetycznej przetwornicy
Tabela 3 (Wyznaczenie współczynnika stabilizacji napięcia wyjściowego od zmian napięcia wejściowego)
U1 |
U2 |
|
ΔU1 |
ΔU2 |
Ku |
[V] |
[V] |
|
[V] |
[V] |
[V/V] |
24 |
12,03 |
|
2,4 |
0,01 |
0,0042 |
21,6 |
12,02 |
|
|
|
|
gdzie: U1 - wartość napięcia stałego z zasilacza Z1
U2 - wartość napięcia stałego na wyjściu przetwornicy
ΔU1 - zmiana napięcia stałego U1
ΔU2 - zmiana napięcia stałego U2
Ku - współczynnika stabilizacji napięcia wyjściowego od zmian napięcia wejściowego
Tabela 4 (Wyznaczenie rezystancji wyjściowej przetwornicy)
R |
U2 |
I2 |
|
ΔU2 |
ΔI2 |
Rwy |
[Ω] |
[ V] |
[A] |
|
[V] |
[A] |
[Ohm] |
14,4 |
12,03 |
0,84 |
|
0,03 |
0,17 |
0,18 |
18 |
12,06 |
0,67 |
|
|
|
|
gdzie: R - rezystancja obciążenia
U2 - wartość napięcia stałego na wyjściu przetwornicy
I2 - wartość prądu stałego przepływającego przez rezystor obciążenia
ΔU2 - zmiana napięcia stałego U2
ΔI2 - zmiana prądu I2
Rwy - rezystancja wyjściowa przetwornicy
C) Przykładowe obliczenia
1)Wyznaczanie współczynnika wypełnienia δ
Współczynnik ten można określić jako stosunek czasu trwania impulsu prądu kolektora T2 do okresu jego powtarzania. Jeżeli przez t oznaczymy czas trwania impulsów napięcia na bazie T1 to czas trwania impulsów prądu kolektora T2 wynosi: T-t (gdzie T- okres powtarzania impulsów).Czyli współczynnik wypełnienia δ obliczamy ze wzoru (np. dla pozycji 10 Tabeli 1):
2)Wyznaczanie prądu kolektora T2, Icp
Prąd kolektora T2 Icp równy prądowi emitera T2 IE wyznaczono poprzez pomiar spadku napięcia UE na rezystorze RE. Wtedy Icp wynosi (Dla pozycji 2 Tabeli 2):
Wyrażenie UE*10 wynika z zastosowania na wejściu oscyloskopu dzielnika napięcia 1:10.
3)Wyznaczanie współczynnika sprawności energetycznej przetwornicy η
- wartość mocy dostarczonej do stopnia kluczującego przetwornicy z zasilacza Z1 obliczamy ze wzoru (dla pozycji 2 Tabeli 2):
gdzie: U1 - wartość napięcia zasilania dla stopnia kluczującego przetwornicy
I1 - wartość prądu pobieranego przez układ przetwornicy z zasilacza Z1
- wartość mocy oddawanej do obciążenia wynosi (dla pozycji 2 Tabeli 2):
gdzie: U2 - wartość napięcia stałego na wyjściu przetwornicy
Roo - rezystancja obciążenia (Roo = 14,4Ω)
- wartość współczynnika sprawności energetycznej η wynosi:
5)Wyznaczanie współczynnika stabilizacji napięcia wyjściowego od zmian napięcia wejściowego Ku
Współczynnik Ku wyznaczamy ze wzoru (Tabela 3):
6)Wyznaczanie rezystancji wyjściowej przetwornicy Rwy
- zmianę prądu w przepływającego przez obciążenie ΔI2 wyznaczamy jako (Tabela 4):
gdzie: U21 - wartość napięcia wyjściowego dla obciążenia Roo1 = 14,4Ω
U22 - wartość napięcia wyjściowego dla obciążenia Roo2 = 18Ω
- rezystancja wyjściowa przetwornicy Rwy wynosi:
D) Określenie strat energii w poszczególnych elementach układu i określenie sprawności energetycznej z pominięciem tych strat.
Obliczenia wykonano dla wartości parametrów odczytanych z ekranu oscyloskopu (IE, ID) dla współczynnika wypełnienia δ = 60%, U1 = 24V, f = 16kHz (Rodzina charakterystyk 1):
1) Straty mocy na rezystorze pomiarowym RE = 0,51Ω
Z wykresu UE = f(t) odczytujemy i wyznaczamy parametry:
- Amplituda prądu emitera IE jest określona pośrednio poprzez wartość amplitudy napięcia UEm. Dla UEm = 52mV, amplituda prądu IEm jest równa:
- Czas trwania t impulsu prądu IE wynosi 34μs
- Okres powtarzania T impulsów wynosi 58μs
- straty mocy na rezystorze RE obliczamy ze wzoru:
2) Straty mocy na rezystorze pomiarowym RD = 0,05273Ω
Z wykresu UD = f(t) odczytujemy i wyznaczamy parametry:
- Amplituda prądu diody D6 ID jest określona pośrednio poprzez wartość amplitudy napięcia UDm. Dla UDm = 18mV, amplituda prądu IDm jest równa:
- Czas trwania T-t impulsu prądu ID wynosi 22μs
- straty mocy na rezystorze RD obliczamy ze wzoru:
3) Straty mocy na rezystorze R16 i diodzie D6 wynoszą odpowiednio:
PR16 = 0,96W , PD6 = 1,9W
4) Sprawność energetyczna η przetwornicy wynosi (pozycja 2 Tabeli 2):
5) Sprawność energetyczna η2 przetwornicy z pominięciem strat energii na elementach: R16, RD, RE, D6 wynosi:
E) Sprawdzenie dokładności wzorów projektowych
Dla wyznaczonych i przyjętych parametrów: δ = 60%, U1 = 24V, f = 16kHz , U2 = 12,03V ,
η = 76%:
1) Wartość szczytowa prądu kolektora:
wartość wyznaczona na podstawie pomiarów: Icp = 1,02A
2) Wartość napięcia kolektora UCE2 tranzystora T2:
gdzie: p.- przekładnia transformatora Tr2
3) Napięcie wyjściowe zasilacza:
wartość wyznaczona na podstawie pomiarów: U2 = 12,03V
4) Indukcyjność uzwojenia pierwotnego transformatora Tr2:
wartość zmierzona wynosi: L = 0,435mH
G) Wykresy
1) Zależność współczynnika wypełnienia δ od wartości napięcia stałego podanego na
wyprowadzenie 10 UL1540 dla dwóch różnych częstotliwości przcy przetwornicy:
f 1= 16kHz i f2 = 32kHz
F) Uwagi i wnioski
- Sprawność badanego przez nas zasilacza dochodziła do 76% czego powodem były straty mocy na elementach R16,RD,RE,D6. Straty te można by wyeliminować poprzez zlikwidowanie rezystorów RE, RD służących jedynie do monitorowania prądów odpowiednio: emitera tranzystora T2 i diody D6, oraz użycia jako D6 diody Schotky'ego.
Rezystora R16 nie można wyeliminować, gdyż wraz z kondensatorem C14 stanowi on
układ przeciwdziałający gwałtownym skokom napięcia na kolektorze T2, bez którego
napięcie UCE2max T2 mogło by zostać przekroczone i T2 uległby uszkodzeniu.
Wynik obliczeń sprawności z pominięciem mocy strat na elementach R16,RD,RE,D6:
η2 = 98,9% ukazuje, że sprawność energetyczna przetwornicy wzrosłaby znacznie. Jednak jest to wartość znacznie zawyżona, gdyż sprawność energetyczna w tego typu układach zasilaczy impulsowych dochodzi do około 85%.
- Na podstawie wyników obliczeń sprawności energetycznej z Tabeli 2 można zauważyć, że współczynnik ten jest nieznacznie wyższy dla częstotliwości pracy f = 16kHz. Jest to spowodowane tym, że dla częstotliwości pracy f = 32kHz występują większe straty mocy przy przełączaniu tranzystora T2, diody D6, oraz przemagnesowanie rdzeni transformatora Tr2 i dławików.
- Na podstawie pomiarów z Tabeli 1 można zauważyć, że współczynnik wypełnienia impulsów δ, na końcówce 6 UL1540 zależy od napięcia stałego na końcówce 10 UL1540.
Poprzez zmianę wartości współczynnika wypełnienia impulsów można regulować napięcie wyjściowe U2 przetwornicy. Napięcie U10 można było zmieniać tylko do 6,4V co wiązało się zadziałaniem układu zabezpieczającego przed przekroczeniem napięcia wyjściowego UL1540. Współczynnik wypełnienia impulsów odczytany z charakterystyki δ = f(U10) był największy dla 6V przy częstotliwości pracy f = 16kHz i w przedziale 5,5V do 6V dla częstotliwości pracy f = 32kHz co oznacza, że dla takich napięć U10 napięcie uzyskane na wyjściu przetwornicy jest największe. Jednak po doprowadzeniu napięcia kluczowanego U1 układ zrywał oscylacje przy U10 = 4,5V co sugeruje przeciążenie układu przetwornicy.
- Wartości parametrów przetwornicy obliczone za pomocą wzorów projektowych różnią się maksymalnie o około 60% (Icp) od wartości zmierzonych. Jednak wzory te można zastosować w obliczeniach wstępnych, a dokładnie wyznaczyć parametry w obliczeniach komputerowych.