Politechnika Białostocka
Katedra Energoelektroniki i Napędu Elektrycznego
BADANIE PRZEKSZTAA
TNIKA DC-DC
OBNIŻAJ
CEGO NAPI
CIE W UKA
ADZIE
MOSTKOWYM Z IZOLACJ
GALWANICZN

Białystok 2006
1
Ogólne zasady bezpieczeństwa
Przed przystąpieniem do zajęć należy zapoznać się z instrukcją
dydaktyczną do stanowiska laboratoryjnego.
Dokonać oględzin urządzeń i przyrządów używanych w ćwiczeniu,
a o zauważonych nieprawidłowościach bezzwłocznie powiadomić
prowadzącego.
Zabrania się samodzielnego załączania stanowiska bez zgody
prowadzącego.
Zmian nastaw parametrów lub konfiguracji, możliwych przy użyciu
dostępnych manipulatorów (potencjometrów, przełączników), należy
dokonywać po przeanalizowaniu skutków takich działań.
Zmian konfiguracji obwodów elektrycznych, możliwych jedynie poprzez
zmiany połączeń przewodów, należy dokonywać za zgodą prowadzącego
po uprzednim wyłączeniu zasilania stanowiska.
Po załączeniu stanowiska wykonywanie przełączeń (np. wymiana
przyrządu) w układzie znajdującym się pod napięciem jest niedozwolone.
W w/w stanowisku dostępne są części czynne obwodu elektrycznego
o napięciu przekraczającym napięcie bezpieczne, dlatego przed
uruchomieniem należy zachować odpowiednie oddalenie od tych części
czynnych w celu uniknięcia porażenia prądem elektrycznym.
Stosowanie sposobów sterowania, ustawień lub procedur innych niż
opisane w instrukcji może spowodować nieprzewidziane zachowanie
obiektu sterowanego a nawet uszkodzenie stanowiska.
Nie należy podłączać urządzeń nie przeznaczonych do współpracy z tym
stanowiskiem laboratoryjnym.
Przekroczenie dopuszczalnych parametrów prądów, napięć sygnałów
sterujących może doprowadzić do przegrzania się niektórych podzespołów,
pożaru lub porażenia prądem.
W przypadku pojawienia się symptomów nieprawidłowego działania (np.
swąd spalenizny) natychmiast należy wyłączyć stanowisko i odłączyć
przewód zasilający.
Demontaż osłon stanowiska oraz wszelkie naprawy i czynności serwisowe,
oprócz opisanych w instrukcji, powinny być wykonywane przez
wykwalifikowany personel po wyłączeniu stanowiska.
Należy stosować tylko bezpieczniki o parametrach nominalnych podanych
w instrukcji lub na obudowie urządzenia.
Urządzenie powinno być czyszczone przy użyciu suchej i miękkiej szmatki.
Nie należy stosować do tych celów rozpuszczalników.
Podczas korzystania z aparatury laboratoryjnej (oscyloskopy, generatory,
zasilacze itp.) należy przestrzegać ogólnych zasad bezpieczeństwa tj.:
2
- Do zasilania przyrządu należy stosować tylko kable zalecane do danego
wyrobu.
- Nie należy podłączać lub odłączać sond i przewodów pomiarowych, gdy są
one dołączone do z
ródła napięcia.
- Przyrząd powinien być połączony z uziemieniem przez przewód ochronny
w kablu zasilającym. Aby uniknąć porażenia przewód ten powinien być
podłączony do przewodu ochronnego sieci.
- Przewód uziemiający sondy należy podłączać tylko do uziemienia ochronnego.
Nie należy podłączać go do punktów o wyższym potencjale.
- Aby uniknąć porażenia prądem podczas używania sondy, należy trzymać palce
nad pierścieniem zabezpieczającym. Nie wolno dotykać metalowych części
grotu, gdy sonda jest podłączona do z
ródła napięcia.
- Nie dotykać końcówek przewodów łączeniowych w trakcie wykonywania
pomiarów.
3
I. PODSTAWY TEORETYCZNE
1. Schemat układu
LF I0
LF I0
T3
T3
US
D2
D1
AB
AB
C
C
F
F
T2 T4
T2 T4
U1
D4
D3
Rys.1. Schemat ideowy obniżającego przekształtnika DC/DC w układzie
mostkowym z izolacją transformatorową
2. Sposób sterowania
Rys.2. Impulsy sterujące parami tranzystorów
4
1
T = - okres, gdzie f = const - częstotliwość sterowania
f
T
0 e" tz d" , tz = var - czas wysterowania pary tranzystorów
2
tz
w = = var , 0 d" w d"1, w- wypełnienie
T 2
3. Praca przy nieobciążonym transformatorze
Przebieg napięcia przykładanego do pierwotnej strony transformatora
pokazany jest na rys.3a. Gdy uzwojenia wtórne transformatora są nieobciążone
(rozwarte) można przyjąć, że prąd strony pierwotnej jest prądem magnesującym
i� , przy założeniu, że transformator jest reprezentowany przez indukcyjność
magnesującą L� . Kształt prądu magnesującego (rys.3b) wynika z kształtu
przyłożonego napięcia (rys.3a) w związku z zależnością:
di�
u1 = L� (1)
dt
Z powyższej zależności i kształtu napięcia u1 wynika, że:
Us tz
ńł
�łt �ł
�łL �ł - �ł dla 0 d" t d" tz
2
�ł �ł łł
�
i� = (2)
�ł
Us T
�ł
tz dla tz d" t d"
2L� 2
�ł
ół
5
a)
b)
Rys.3. Przebieg napięcia strony pierwotnej (a) oraz przebieg prądu
magnesującego (b)
4. Praca układu obciążonego
W stanie obciążenia w uzwojeniu pierwotnym płynie także prąd
wynikający z obciążenia układu filtrem i rezystancją Ro . W indukcyjności
filtrującej płynie prąd iLF złożony ze składowej stałej Io i przemiennej " iLF
(rys.4c). Składowa stała jest określona napięciem na obciążeniu Uo i jego
rezystancją Ro :
Uo
Io = (3)
Ro
Napięcie obciążenia jest równe wartości średniej napięcia wyjściowego
prostownika i zgodnie z rys.4b wynosi:
6
tz
Uo =�Us =�Usw (4)
Tz
2
z2
gdzie: przekładnia transformatora � = ( z1,z2 - liczba zwojów uzwojenia
z1
pierwotnego i wtórnego.
Składowa przemienna zależy od wartości indukcyjności LF :
�Us - Uo �Us
" iLF = tz = (1 - w)w . (5)
LF 2 fLF
Aby zapewnić przewodzenie ciągłe w układzie należy spełnić warunek:
" iLF
Io e" . (6)
2
Wynika stąd minimalna wartość indukcyjności zapewniająca
przewodzenie ciągłe:
Ro
LF e" (1 - wmin ) (7)
4 f
Wahania napięcia obciążenia wynoszą:
1 1 I
" uo = " iLF . (8)
CF 2 2
Względne wahania napięcia obciążenia:
" Uo 1 1 (1 - w).
= (9)
2
Uo CF 8
f LF
Aby więc zapewnić względne wahania mniejsze od wartości � np.
równej 0,01 należy zastosować pojemność:
(1
1 - wmin )
CF e" . (10)
2
8
� f LF
7
 W stanie załączenia pary
tranzystorów prąd dławika
iLF = Io + " iLF po stronie wtórnej
transformatora przepływa przez
odpowiednią diodę D1 bądz
D2
(rys.4e). W tym stanie prąd po
stronie pierwotnej płynący przez
tranzystory jest sumą
przeniesionego prądu iLF i prądu
magnesującego (rys.4d).
W stanie wyłączenia
wszystkich tranzystorów prąd iLF
płynie poprzez obydwie diody D1 i
D2 , a odpowiednio przeniesiony
stały prąd magnesujący zamyka się
Rys.4. Przebiegi czasowe przy obciążeniu
również przez te diody. W rezultacie
przy � =1:
a) napięcia strony pierwotnej, b) napięcie w jednej z diod płynie prąd równy
wyjściowe prostokątne
iLF + i* iLF - i*
c) prąd w indukcyjności filtrującej � �
, a w drugiej
d) prąd w tranzystorze
2 2
e) prąd w diodzie
(rys.4e).
Dla szacunkowych obliczeń przyjmując prąd magnesujący i wahania
prądu w indukcyjności LF możemy wyznaczyć skuteczne wartości prądów
tranzystora i diody.
tz
1
ITsk =
o o o
+"I*2dt = I* w , gdzie I* = Io�
T
0
8
T
�ł �ł
�ł �ł
tz
2
1 Io 2 1 - w
�ł �ł
�ł
IDsk = (11)
o
+"I 2dt + 2+"�ł 2 �ł dt �ł = Io w + 4
�ł �ł
T
�ł łł
0 tz
�ł �ł
�ł łł
5. Wpływ indukcyjności rozproszenia transformatora
Indukcyjność rozproszenia transformatora nie pozwoli na skokowe
zmiany prądu tranzystora z powodu indukowanego napięcia:
di
U = L�
L�
dt
Stąd prąd tranzystora załączonego narasta z określoną stromością, a przy
wyłączeniu tranzystorów współpracującej pary pojawi się w nim prąd wsteczny
płynący poprzez diodę podłożową (rys.5b). Skutkiem tego kształtu prądu zmieni
się kształt napięcia pierwotnego i pojawią się odpowiednie przepięcia, jak na
rys.5a.
Rys.5. Przebieg napięcia pierwotnego, prądu tranzystora oraz prądu diody
prostownika, przy uwzględnieniu indukcyjności rozproszenia transformatora
Indukcyjność rozproszenia można wyznaczyć z próby zwarcia.
9
Opis stanowiska laboratoryjnego
Na rysunku 6 pokazano widok płyty czołowej stanowiska
laboratoryjnego. Składa się ona z trzech pól. Lewe z nich zawiera układ
sterowania, prawe - część siłową przekształtników, i środkowe z elementami
E
związanymi z zasilaniem. Są tu trzy zaciski, oznaczone symbolem , na
2
których pojawia się napięcie z zewnętrznego, symetrycznego zasilacza o
regulowanym płynnie napięciu w zakresie 0ą30V (zasilacz ten dołącza się do
kabla wyprowadzonego na tylnej ścianie stanowiska) oraz przyciski sterujące.
Wyłącznikiem ZS załącza się obwód sterowania i przygotowuje do
uruchomienia obwód główny, który można załączyć i wyłączyć odpowiednio
przyciskami Z i W.
Po prawej stornie płyty czołowej umieszczono elementy, z których łączy
się w trakcie badań różne typy przekształtników. Są tu cztery tranzystory
MOSFET typu IRFP 460, z których każdy ma wyprowadzony dren, z
ródło i
bramkę. Tranzystory są wewnętrznie dołączone do obwodu sterowania. A
ączy
się tylko z
ródło i dren tranzystora według zadanej konfiguracji przekształtnika.
Zacisk bramki tranzystora służy tylko do obserwacji sygnału sterującego. Sygnał
ten należy oglądać w odniesieniu do masy elektroniki. Struktura tranzystora
typu IRFP 460 zawiera zintegrowaną diodę, zwaną diodą podłożową. Dioda ta
ma bardzo złe właściwości dynamiczne. Można ją wyeliminować stosując
odpowiednio połączone diody szybkie typu HFA25TB60. Na pulpicie oznaczone
są jako D5 � D16.
Oprócz elementów półprzewodnikowych na płycie czołowej stanowiska
umieszczono sześć bipolarnych kondensatorów o pojemnościach: 57nF (C1),
47nF (C5 i C6) i 10nF (C2, C3 i C4). Kondensatory C7, C8 i C9 to kondensatory
elektrolityczne o pojemności odpowiednio 47�F, 100�F i 220�F. Ponadto na
płycie czołowej stanowiska zainstalowano cztery dławiki powietrzne L1 � L4o
indukcyjności ok. 10�H oraz dwa dławiki ferromagnetyczne L5 i L6.
Obciążeniem budowanych przekształtników mogą być wbudowane oporniki R1 i
R2 o rezystancji 16&!..
Wszystkie obserwacje przebiegów napięć i prądów mogą być
dokonywane za pomocą oscyloskopu. W celu ułatwienia obserwacji
zamontowane zostały przetworniki typu LEM obserwacji prądów (PI1 � PI5).
Prawą stronę pulpitu stanowiska laboratoryjnego zajmuje modulator,
generujący impulsy sterujące tranzystorami. Jest on wewnętrznie połączony z
tranzystorami. Modulator jest układem uniwersalnym i może być stosowany do
sterowania różnymi typami przekształtników. Dobór układu sterowania do
przekształtnika odbywa się poprzez wstawienie do gniazda umieszczonego obok
napisu  UKA
AD MODULATORA odpowiednio spreparowanego wtyku
(klucza) oznaczonego kolejną liczbą. Wtyk ten jest dostępny u prowadzącego
zajęcia. Od gniazda umieszczonego obok napisu  UKA
AD MODULATORA
10
rozchodzą się w kierunku poszczególnych pól układu sterowania i
potencjometrów numerowane strzałki. Włożenie wtyku z numerem 1 oznacza,
że uaktywni się pole z potencjometrem fT, do regulacji częstotliwości napięcia
wyjściowego. Wstawienie wtyku z innym numerem spowoduje zmianę rodzaju
sterowania i uaktywnienie się innych pól.
Rys. 6. Widok płyty czołowej stanowiska
11
D9
D11
PP5
D10
D12
PP4
PN2
C3
C7
C8
C9
PP3
C4
PP2
4
3
PN1
L1
L2
L3
L4
L5
L6
C5
C6
R1
R2
1
2
PP1
C1
C2
TR1
PRZEKSZTA
A

TNIKI IMPULSOWE
D13
D14
D15
D16
D8
D5
D6
D7
_
_
2
2
E
E
Z
W
ZS
k
k
Uk
ł
ad modulatora
max
min
f
f
i
w
t
t
Ofst
"
i
u
Ofst
A
Ofst
T
PI
regulacji
i
t
A
jednoga
łę
ziowej
jednobiegunowej
sygna
ł
u w uk
ł
adzie
Poziom komparacji
T
1
f
f
i
u
kT
5a
3
5b
5b
6a
9 8 7 6 5 4 2 1
6. Program ćwiczenia
1. Zmierzyć zastosowane parametry filtru: indukcyjność dławika LF i
pojemność CF.
2. Zarejestrować prąd magnesujący transformatora i wyznaczyć wartość
indukcyjności Lu.
3. Przy założonym prądzie i zakresie regulacji dobrać wartość rezystancji
obciążenia R0.
4. Zarejestrować przebiegi w układzie w stanie obciążenia.
5. Zdjąć charakterystykę regulacyjną układu dla dwóch częstotliwości.
6. Zdjąć charakterystykę sprawności układu dla dwóch częstotliwości.
7. Literatura
1. Wykład Elektronika Mocy 1.
2. Baranowski J. Czajkowski. Układy elektroniczne cz. II Układy analogowe
i impulsowe WNT 1994
3. Dmowski A. Energoelektroniczne układy zasilania prądem stałym w
telekomunikacji i energetyce WNT Warszawa 1998
Instrukcję opracował:
Prof. dr hab. inż. Tdeusz Citko
Dr inż. Stanisław Jałbrzykowski
12