Pomorski fakultet u Rijeci

Zavod za elektrotehniku, automatiku i informatiku

Energetska elektronika –laboratorijske vježbe 4

1. Trantzistorski istosmjerni pretvarač za sniženje napona (Buck

Converter)

Slika 1. Tranzistorski istosmjerni pretvarač za sniženje napona

Smisao ove vježbe je upoznavanje s načinom rada tranzistorskog istosmjernog pretvarača za smanjenje napona. U prvom dijelu vježbe treba najprije pomoću osciloskopa odrediti radnu frekvenciju i promatrati utjecaj opterećenja na veličinu i valovitost napona na izlazu. U drugom dijelu vježbe uz postepeno povećavanje širine impulsa treba uočiti promjene na izlaznom naponu. Treći dio vježbe pokazuje kako se uz dovoljno veliki kondenzator može dobiti kvalitetan istosmjerni napon i kako je za malu širinu impulsa kojoj odgovara mali izlazni napon potreban veći kondenzator za željenu kvalitetu izlaznog napona. Valovitost napona računa se kao: ΔU% = (Umax – Umin) / Usr

Istosmjerni pretvarač u propusnom spoju, odnosno čoper za sniženje napona sastoji se od izvora napona, poluvodičke sklopke, diode, prigušnice L, kondenzatora C i tereta R. Kod ovog pretvarača izlazni napon na tošilu je uvjek manji od ulaznog i može se izračunati kao: Ut=α∙Uizv

gdje je Ut napon na trošilu, α faktor intermitencije i Uizv napon izvora. Kada je poluvodička sklopka uključena (elektronički ventil vodi) izvor predaje energiju trošilu. Istodobno se na induktivitetu L i na kondenzatoru C pohranjuje energija u obliku magnetskog, odnosno električnog polja. Frekvencija prekapčanja poluvodičke sklopke je f=1/(tv +tz)=1/T. Ovisno da li poluvodički ventil vodi ili je u stanju zapiranja, struja kroz prigušnicu raste i opada, odnosno njena vrijednost varira oko srednje vrijednosti stuje trošila. Kondenzator C omogućuje približno konstantnu struju i napon, odnosno služi kao filtar za glađenje izlazne struje i napona.

Slika 2. Multisim model anzistorskog istosmjernog pretvarača za sniženje napona

T1

R1D1

L1

C1

T1

R1

80Ω

U1

40 V

D1

L11.0mH

C1

1.0µFV2

XCP1

1 V/mA

XSC1

A B C D

G

T

XCP2

1 mV/mA

Pulse

Pulse

XMM1

POSTUPAK 1. Učitati shemu: vjezba4a. 2. Aktivirati osciloskop i instrument. 3. Pokrenuti simulaciju 4. Kada se napon na teretu ustali zaustaviti simulaciju. 5. Odrediti radnu frekvenciju. 6. Očitati maksimalnu, minimalnu i srednju vrijednost izlaznog napona i izračunati valovitost. 7. Smanjiti otpor tereta na 40Ω. 8. Pokrenuti simulaciju. 9. Kada se napon na teretu ustali, zaustaviti simulaciju. 10. Nacrtati oblik napona na izlazu. Očitati maksimalnu, minimalnu i srednju vrijednost izlaznog napona i izračunati valovitost. 11. Povećati širinu impulsa na 30%. 12. Pokrenuti simulaciju. 13. Kada se napon na teretu ustali, zaustaviti simulaciju. 14. Nacrtati oblik napona na izlazu. Očitati maksimalnu, minimalnu i srednju vrijednost izlaznog napona i izračunati valovitost. 15. Ponoviti točke 11-14 za širinu impulsa 60% i 80 % 16. Povećati kapacitet kondenzatora na 15µF. 17. Pokrenuti simulaciju. 18. Kada se napon na teretu ustali, zaustaviti simulaciju. 19. Nacrtati oblik napona na izlazu. Očitati maksimalnu, minimalnu i srednju vrijednost izlaznog napona i izračunati valovitost. 20. Smanjiti širinu impulsa na 10%. 21. Pokrenuti simulaciju. 22. Kada se napon na teretu ustali, zaustaviti simulaciju. 23. Nacrtati oblik napona na izlazu. Očitati maksimalnu, minimalnu i srednju vrijednost izlaznog napona i izračunati valovitost. 24. Povećati kapacitet kondenzatora na 30µF. 25. Pokrenuti simulaciju. 26. Kada se napon na teretu ustali, zaustaviti simulaciju. 27. Nacrtati oblik napona na izlazu. Očitati maksimalnu, minimalnu i srednju vrijednost izlaznog napona i izračunati valovitost. f=_____________ KHz

α=10 % R=80Ω C=1F USR=............V α=10 % R=40Ω C=1F USR=............V

UMAX=...........V UMIN=............V ΔU% =..........% UMAX=...........V UMIN=............V ΔU% =..........%

α=30% R=40Ω C=1F USR=............V α=60% R=40Ω C=1F USR=............V

UMAX=...........V UMIN=............V ΔU% =..........% UMAX=...........V UMIN=............V ΔU% =..........%

α=80% R=40Ω C=1F USR=............V α=80% R=40Ω C=15F USR=............V

UMAX=...........V UMIN=............V ΔU% =..........% UMAX=...........V UMIN=............V ΔU% =..........%

α=10% R=40Ω C=15F USR=............V α=10% R=40Ω C=30F USR=............V

UMAX=...........V UMIN=............V ΔU% =..........% UMAX=...........V UMIN=............V ΔU% =..........%

2. Tranzistorski istosmjerni pretvarač u blokirnom spoju bez

invertiranja napona (Chopper za povećanje napona – Boost converter)

Slika 3. Tranzistorski istosmjerni pretvarač u blokirnom spoju bez invertiranja napona (Chopper za

povećanje napona – Boost Converter)

Smisao ove vježbe je upoznavanje s načinom rada tranzistorskog istosmjernog pretvarača za

smanjenje napona. U prvom dijelu vježbe treba najprije pomoću osciloskopa odrediti radnu

frekvenciju. U drugom dijelu vježbe uz postepeno povećavanje širine impulsa treba uočiti

promjene na izlaznom naponu. Treći dio vježbe pokazuje kako se uz dovoljno veliki

kondenzator može dobiti kvalitetan istosmjerni napon. Valovitost napona računa se kao:

ΔU% = (UMAX - UMIN) / USR

Priključivanjem sklopa na izvor U (prije okidanja elektroničkog ventila) poteče struja u

krugu E-L-D-R-E koja napuni kondenzator na napon izvora UC=E i ujedno daje trajnu

minimalnu struju tereta I=E/R (teret se ovim čoperom ne može isključiti). Kada se impulsom

na upravljačku elektrodu (gate) uključi elektronički ventil on spoji induktivitet L paralelno

izvoru E pri čemu započne prijelazna pojava porasta struje (punjenja induktiviteta). Treba

napomenuti da je nakon završetka prijelazne pojave ovo kratki spoj izvora jer induktivitet ne

predstavlja otpor istosmjernoj struji. Međutim, prije završetka prijelazne pojave, a u trenutku

kada je induktivitet preuzeo dovoljno energije za željeni režim rada tereta, elektronički ventil

se gasi. Energija sadržana u magnetskom polju induktiviteta nastoji zadržati nepromijenjeni

magnetski tok pa nastavlja tjerati istu struju koja se sada više ne može zatvoriti kroz

elektronički ventil, već je prisiljena teći u krugu E-L-D-C-E i pri tome puniti kondenzator na

napon viši od napona izvora E. Napon na koji se puni kondenzator ovisiti će o vremenu

uključenosti ventila (faktoru intermitencije).

Slika 4. Multisim model tranzistorskog istosmjerni pretvarača u blokirnom spoju bez invertiranja

napona (Chopper za povećanje napona – Boost Converter)

T1R1U1

D1L1

C1

T1

R1

40Ω

U1

40 V

D1

L110mH

C1

5µF

V2

XSC1

A B C D

G

T

Pulse

Pulse

XMM1

XCP1

1 mV/mA

XCP2

1 mV/mAR2

100Ω

POSTUPAK

1. Učitati shemu: vjezba4b i pokrenuti simulaciju

2. Odrediti radnu frekvenciju i faktor intermitencije.

3. Očitati maksimalnu, minimalnu i srednju vrijednost izlaznog napona i izračunati

valovitost.

4. Povećati širinu impulsa na 50%.

5. Nacrtati oblik napona na izlazu. Očitati maksimalnu, minimalnu i srednju vrijednost

izlaznog napona i izračunati valovitost.

6. Povećati širinu impulsa na 70%.

7. Nacrtati oblik napona na izlazu. Očitati maksimalnu, minimalnu i srednju vrijednost

izlaznog napona i izračunati valovitost.

8. Ponoviti točke 11-14 za širinu impulsa 80% i 90 %

9. Smanjiti širinu impulsa na 70% i povećati kapacitet kondenzatora na 200µF.

f=____________________ kHz

α=30% C=5F USR=............V α=50% C=5F USR=............V

UMAX=...........V UMIN=............V ΔU% =..........% UMAX=...........V UMIN=............V ΔU% =..........%

α=70% C=5F USR=............V α=80% C=5F USR=............V

UMAX=...........V UMIN=............V ΔU% =..........% UMAX=...........V UMIN=............V ΔU% =..........%

α=90% C=5F USR=............V α=70% C=200F USR=............V

UMAX=...........V UMIN=............V ΔU% =..........% UMAX=...........V UMIN=............V ΔU% =..........%

3. Tranzistorski istosmjerni pretvarač u blokirnom spoju s

invertiranjem napona (Chopper za smanjenje i povećanje napona –

Buck-Boost converter)

Slika 5. Tranzistorski istosmjerni pretvarač u blokirnom spoju s invertiranjem napona (Chopper za

smanjenje i povećanje napona – Buck-Boost Converter)

Smisao ove vježbe je upoznavanje s načinom rada tranzistorskog istosmjernog pretvarača za

invertiranje napona. U prvom dijelu vježbe treba najprije pomoću osciloskopa odrediti radnu

frekvenciju i promatrati utjecaj opterećenja na veličinu i valovitost napona na izlazu. U

drugom dijelu vježbe uz postepeno povećavanje širine impulsa treba uočiti promjene na

izlaznom naponu. Treći dio vježbe pokazuje kako se uz dovoljno veliki kondenzator može

dobiti kvalitetan istosmjerni napon. Valovitost napona računa se kao:

ΔU% = (UMAX - UMIN) / USR

Smisao ove vježbe je upoznavanje sa sklopom istosmjernog pretvarača u blokirnom spoju s

invertiranjem napona (eng. Boost-Buck Converter). Kod ovog pretvarača izlazni napon na

tošilu može biti veći, manji ili jednak ulaznom naponu, a izlazni napon je suprotnog

polariteta u odnosu na ulazni. Prijenosna funkcija se može izraziti kao:

Ut/Ui = -α/(1-α)

gdje je Ut napon na trošilu, α faktor intermitencije i U_izv napon izvora.

Impulsom na upravljačkoj elektrodi uključuje se poluvodički ventil. On spoji induktivitet L

paralelno izvoru E pri čemu započne prijelazna pojava porasta struje (punjenja

induktiviteta). I ovdje to nakon završetka prijelazne pojave predstavlja kratki spoj izvora jer

L1 C1R1

D1T1

induktivitet ne predstavlja otpor istosmjernoj struji pa prije završetka prijelazne pojave, a u

trenutku kada je induktivitet preuzeo dovoljno energije za željeni režim rada tereta treba

elektronički ventil ugasiti. Energija sadržana u magnetskom polju induktiviteta i ovdje

nastoji zadržati nepromijenjeni magnetski tok pa nastavlja tjerati istu struju koja se sada više

ne može zatvoriti kroz elektronički ventil već je prisiljena teći kuda joj to diode dozvoljavaju.

U ovom slučaju je to titrajni krug L-C-D1-L. Induktivitet predaje energiju kondenzatoru

tijekom jedne poluperiode, odnosno dok struja ne padne na 0 kada bi trebala promijeniti

smjer, što međutim ne dozvoljava dioda D1. Kondenzator se puni na napon koji ovisi o

vremenu uključenosti elektroničkog ventila T.

Slika 6. Multisim model tranzistorskog istosmjernog pretvarača u blokirnom spoju s invertiranjem

napona (Chopper za smanjenje i povećanje napona – Buck-Boost Converter)

POSTUPAK

1. Učitati shemu: vjezba 4c i pokrenuti simulaciju

2. Odrediti radnu frekvenciju

3. Očitati maksimalnu, minimalnu i srednju vrijednost izlaznog napona i izračunati

valovitost.

4. Smanjiti otpor tereta na 40Ω.

5. Nacrtati oblik napona na izlazu. Očitati maksimalnu, minimalnu i srednju vrijednost

izlaznog napona i izračunati valovitost.

6. Povećati širinu impulsa na 50%.

7. Nacrtati oblik napona na izlazu. Očitati maksimalnu, minimalnu i srednju vrijednost

izlaznog napona i izračunati valovitost.

8. Ponoviti točke 11-14 za širinu impulsa 70%.

9. Povećati kapacitet kondenzatora na 500µF.

10. Nacrtati oblik napona na izlazu. Očitati maksimalnu,minimalnu i srednju vrijednost

izlaznog napona i izračunati valovitost.

11. Smanjiti širinu impulsa na 30s.

12. Nacrtati oblik napona na izlazu. Očitati maksimalnu, minimalnu i srednju vrijednost

izlaznog napona i izračunati valovitost.

XSC1

A B C D

G

T

XMM1

L1

1mH

C1

10µF

R1

40Ω

U1

40 V

D1

U2

T1

R2

100Ω

XCP1

1 mV/mA

XCP2

1 mV/mAPulse

Pulse

f=____________________ kHz

α=30% R=400Ω C=10F USR=............V α=30% R=40Ω C=10F USR=............V

UMAX=...........V UMIN=............V ΔU% =..........% UMAX=...........V UMIN=............V ΔU% =..........%

α=50% R=40Ω C=10F USR=............V α=70% R=40Ω C=10F USR=............V

UMAX=...........V UMIN=............V ΔU% =..........% UMAX=...........V UMIN=............V ΔU% =..........%

α=70% R=40Ω C=500F USR=............V α=30% R=40Ω C=500F USR=............V

UMAX=...........V UMIN=............V ΔU% =..........% UMAX=...........V UMIN=............V ΔU% =..........