Układy konwersji mocy

Rezystancja, reaktancja, impedancja, moc bierna, czynna, pozorna | #98 [Podstawy] (Lipiec 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Układy konwersji mocy

Dyskretne urządzenia półprzewodnikowe i obwody


Pytanie 1

Nie siedź tam! Zbuduj coś !!

Nauka matematycznego analizowania obwodów wymaga dużo nauki i praktyki. Zazwyczaj uczniowie ćwiczą poprzez pracę z wieloma problemami i sprawdzanie swoich odpowiedzi w porównaniu z tymi dostarczonymi przez podręcznik lub instruktora. Chociaż jest to dobre, istnieje o wiele lepszy sposób.

Dowiesz się o wiele więcej, budując i analizując rzeczywiste obwody, pozwalając swojemu sprzętowi testowemu dostarczać "odpowiedzi" zamiast książki lub innej osoby. Aby odnieść sukces w budowaniu obwodów, wykonaj następujące kroki:

  1. Dokładnie zmierz i zanotuj wszystkie wartości składowe przed budową obwodu, wybierając wartości rezystorów wystarczająco wysokie, aby uszkodzić jakiekolwiek aktywne komponenty, które są mało prawdopodobne.
  2. Narysuj schemat obwodu, który będzie analizowany.
  3. Ostrożnie zbuduj ten obwód na płytce protezowej lub innym dogodnym podłożu.
  4. Sprawdź dokładność konstrukcji obwodu, po każdym przewodzie do każdego punktu połączenia i sprawdzaj te elementy jeden po drugim na schemacie.
  5. Matematycznie przeanalizuj obwód, rozwiązując wszystkie wartości napięcia i prądu.
  6. Dokładnie zmierz wszystkie napięcia i prądy, aby zweryfikować dokładność analizy.
  7. Jeśli wystąpią jakiekolwiek istotne błędy (większe niż kilka procent), dokładnie sprawdź konstrukcję obwodu względem diagramu, a następnie dokładnie oblicz ponownie wartości i ponownie zmierz pomiar.

Kiedy uczniowie najpierw zapoznają się z urządzeniami półprzewodnikowymi i najprawdopodobniej ich uszkodzą poprzez niewłaściwe połączenia w swoich obwodach, polecam eksperymentować z dużymi komponentami o dużej mocy (diody prostownicze 1N4001, tranzystory mocy TO-220 lub TO-3) itp.), a zamiast tego korzysta się z zasilanych bateriami suchych ogniw. Zmniejsza to prawdopodobieństwo uszkodzenia podzespołów.

Jak zwykle, unikaj bardzo wysokich i bardzo niskich wartości rezystorów, aby uniknąć błędów pomiarowych spowodowanych przez "ładowanie" licznika (na wyższym końcu) i uniknąć wypalenia tranzystora (na niskim końcu). Polecam rezystory od 1 kΩ do 100 kΩ.

Jednym ze sposobów zaoszczędzenia czasu i zmniejszenia prawdopodobieństwa błędu jest rozpoczęcie od bardzo prostego obwodu i stopniowe dodawanie składników w celu zwiększenia jego złożoności po każdej analizie, zamiast budowania zupełnie nowego obwodu dla każdego problemu praktycznego. Inną techniką oszczędzającą czas jest ponowne użycie tych samych komponentów w różnych konfiguracjach obwodów. W ten sposób nie będziesz musiał zmierzyć wartości żadnego składnika więcej niż jeden raz.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Pozwól, by elektrony same udzieliły odpowiedzi na twoje własne "problemy praktyczne"!

Uwagi:

Z mojego doświadczenia wynika, że ​​studenci potrzebują wielu ćwiczeń z analizą obwodów, aby stać się biegły. W tym celu instruktorzy zwykle zapewniają swoim uczniom wiele problemów związanych z praktyką i udzielają odpowiedzi uczniom, którzy mogą sprawdzić swoją pracę. Takie podejście sprawia, że ​​uczniowie biegle posługują się teorią obwodów, ale nie potrafią ich w pełni wykształcić.

Uczniowie nie potrzebują jedynie praktyki matematycznej. Potrzebują także prawdziwych, praktycznych ćwiczeń w budowaniu obwodów i korzystaniu z urządzeń testowych. Sugeruję następujące alternatywne podejście: uczniowie powinni budować własne "problemy praktyczne" z rzeczywistymi komponentami i próbować matematycznie przewidywać różne wartości napięcia i prądu. W ten sposób teoria matematyczna "ożywa", a uczniowie zyskują praktyczną biegłość, której nie zyskaliby jedynie przez rozwiązywanie równań.

Innym powodem zastosowania tej metody jest nauczenie studentów metody naukowej : proces testowania hipotezy (w tym przypadku matematycznych przewidywań) poprzez przeprowadzenie prawdziwego eksperymentu. Uczniowie będą również rozwijać prawdziwe umiejętności rozwiązywania problemów, ponieważ czasami popełniają błędy konstrukcyjne obwodu.

Spędź kilka chwil ze swoją klasą, aby zapoznać się z niektórymi "zasadami" budowania obwodów przed ich rozpoczęciem. Porozmawiaj o tych problemach ze swoimi uczniami w taki sam sposób, w jaki zwykle omawiasz pytania z arkusza roboczego, zamiast po prostu mówić im, czego powinni i czego nie powinni robić. Nigdy nie przestaje mnie dziwić, jak słabo studenci chwytają instrukcje, gdy są prezentowane w typowym wykładzie (monolog instruktorski)!

Uwaga dla instruktorów, którzy mogą narzekać na "zmarnowany" czas wymagany do tego, aby uczniowie zbudowali rzeczywiste obwody zamiast tylko matematycznej analizy obwodów teoretycznych:

Jaki jest cel studentów, którzy biorą udział w kursie "itemsheetpanel panel-default" itemscope>

pytanie 2

Opisz, czym jest dynamotor i jaki może być jego cel w układzie elektrycznym.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Dynamotor jest specjalnym rodzajem maszyny elektromechanicznej przeznaczonej do przekształcania jednej formy energii elektrycznej w inną, przy użyciu wspólnego pola magnetycznego i elementu obrotowego.

Uwagi:

Odpowiedź tutaj jest celowo niejasna, ponieważ chcę, aby uczniowie sami badali szczegóły.

pytanie 3

Co to jest obwód przekształtnika DC-DC i do jakich zastosowań może być wykorzystywany taki obwód?

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

"Przetwornik DC-DC" to obwód, który przekształca napięcie prądu stałego w górę lub w dół, generalnie z odwrotną transformacją prądu. Zastosowania obejmują zasilanie prądem stałym w celu ładowania urządzeń, w których głównym źródłem zasilania jest prąd stały, ale o niewłaściwym napięciu.

Uwagi:

W wielu przypadkach konwertery DC-DC znajdują zastosowanie w dużych systemach, które nie zostały zaprojektowane dobrze (tj. Przy odpowiednich napięciach DC dostarczanych przez wspólny obwód zasilania prądem przemiennym). Jednak obwody konwertera mają bardziej uzasadnione zastosowania, w tym aplikacje, w których wymagana jest izolacja między dwoma obwodami prądu stałego. Zapytaj uczniów, co to jest "izolacja elektryczna", dlaczego może być ważna.

Pytanie 4

Obwód ten wykorzystuje generator kształtu fali IC 8038 (układ scalony) do wytworzenia kształtu fali "piłokształtnej", który jest następnie porównywany ze zmiennym napięciem stałym z potencjometru:

Wynikiem jest fala impulsowa do podstawy tranzystora mocy, o tej samej częstotliwości, co kształt fali piłokształtnej. Normalnie w takich obwodach częstotliwość wynosi co najmniej kilkaset herców.

Wyjaśnij, co dzieje się z jasnością lampy, gdy wycieraczka potencjometru zostanie przesunięta bliżej + V, a gdy zostanie przesunięta bliżej ziemi.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Lampa świeci jaśniej, gdy wzrasta cykl pracy kształtu fali tętna i odwrotnie.

Uwagi:

To pytanie jest dobrym przeglądem działania komparatora i wprowadza pojęcie cyklu pracy, jeśli uczniowie nie napotkali go wcześniej. Poproś uczniów, aby wyjaśnili, w jaki sposób i dlaczego cykl pracy zmienia się wraz z przesunięciem potencjometru. Poproś, aby wyjaśnili, dlaczego jasność lampy zmienia się wraz z cyklem pracy i czy jest to skuteczna metoda sterowania mocą.

Pytanie 5

Obwód ten generuje impuls napięcia stałego wystarczający do zasilania lampy neonowej za każdym razem, gdy przełącznik jest otwarty:

Opisać zasadę działania tego prostego obwodu, a także sposób, w jaki można go zmodyfikować w celu wytwarzania ciągłej wysokonapięciowej mocy prądu stałego.

Wskazówka: w jaki sposób wspólny obwód zasilania prądem przemiennym AC zamienia impulsy wyprostowanego prądu stałego na stosunkowo "gładkie" wyjście prądu stałego "# 5"> Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Pytanie uzupełniające: w jaki sposób poleciłbyś "zautomatyzować" ten obwód, aby osoba nie musiała naciskać i zwalniać przełącznika, aby wygenerować ciągłe napięcie wyjściowe DC "uwagi ukryte"> Uwagi:

Poproś uczniów, aby wyjaśnili swoje rozwiązania dotyczące "zautomatyzowania" działania przełącznika. Przygotuj się na kreatywne odpowiedzi!

Pytanie 6

Przedstawiony tutaj schematyczny schemat dotyczy "konwertera" obwodu konwertera, typu "przełączającego" obwodu konwersji prądu stałego DC-DC:

W tym obwodzie tranzystor jest całkowicie włączony lub całkowicie wyłączony; to znaczy, napędzany między skrajnymi nasyceniami lub odcięciem. Poprzez uniknięcie "aktywnego" trybu tranzystora (gdzie spadłoby ono znaczne napięcie podczas przewodzenia prądu), można uzyskać bardzo niskie straty mocy tranzystora. Z małą mocą zmarnowaną w postaci ciepła, "przełączające" układy konwersji energii są zwykle bardzo wydajne.

Śledź wszystkie aktualne kierunki podczas obu stanów tranzystora. Zaznacz także polaryzację napięcia cewki indukcyjnej podczas obu stanów tranzystora.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Pytanie uzupełniające: w jaki sposób napięcie obciążenia tego konwertera odnosi się do napięcia zasilania (akumulatora) "// www.allaboutcircuits.com/textbook/semiconductors/chpt-3/special-purpose-diodes/"> Używana jest dioda Schottky'ego w tym obwodzie, w przeciwieństwie do zwykłej (PN) diody prostowniczej?

Uwagi:

Zapytaj uczniów, dlaczego uważają, że ten obwód nazywa się konwerterem złotówki . "Buck" zwykle odnosi się do czegoś, co jest w opozycji. Co jest przeciwstawne w tym obwodzie?

Pytanie 7

Przedstawiony tutaj schemat przedstawiony jest dla obwodu przekształtnika "doładowania", rodzaj obwodu konwersji prądu "przełączającego" DC-DC:

W tym obwodzie tranzystor jest całkowicie włączony lub całkowicie wyłączony; to znaczy, napędzany między skrajnymi nasyceniami lub odcięciem. Poprzez uniknięcie "aktywnego" trybu tranzystora (gdzie spadłoby ono znaczne napięcie podczas przewodzenia prądu), można uzyskać bardzo niskie straty mocy tranzystora. Z małą mocą zmarnowaną w postaci ciepła, "przełączające" układy konwersji energii są zwykle bardzo wydajne.

Śledź wszystkie aktualne kierunki podczas obu stanów tranzystora. Zaznacz także polaryzację napięcia cewki indukcyjnej podczas obu stanów tranzystora.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Pytanie uzupełniające: w jaki sposób napięcie obciążenia tego konwertera odnosi się do napięcia zasilania (akumulatora) "uwagi ukryte"> Uwagi:

Zapytaj uczniów, dlaczego uważają, że ten obwód nazywa się przetwornikiem podwyższającym napięcie. "Zwiększenie" zwykle odnosi się do czegoś, co pomaga w czymś innym. Co jest wspierane w tym obwodzie?

Pytanie 8

Przedstawiony tutaj schemat przedstawiony jest dla "odwracającego" obwodu przekształtnika, typu "przełączającego" obwodu konwersji prądu stałego DC-DC:

W tym obwodzie tranzystor jest całkowicie włączony lub całkowicie wyłączony; to znaczy, napędzany między skrajnymi nasyceniami lub odcięciem. Poprzez uniknięcie "aktywnego" trybu tranzystora (gdzie spadłoby ono znaczne napięcie podczas przewodzenia prądu), można uzyskać bardzo niskie straty mocy tranzystora. Przy niewielkiej mocy traconej w postaci ciepła, przełączanie "obwodów konwersji energii jest zazwyczaj bardzo wydajne.

Śledź wszystkie aktualne kierunki podczas obu stanów tranzystora. Zaznacz także polaryzację napięcia cewki indukcyjnej podczas obu stanów tranzystora.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Uwagi:

Zapytaj uczniów, dlaczego uważają, że ten obwód nazywa się konwerterem odwracającym .

Chociaż może to nie być oczywiste po obejrzeniu schematu obwodu, ten obwód konwertera może podnosić lub obniżać napięcie, co czyni go dość wszechstronnym.

Pytanie 9

Przedstawiony tutaj schematyczny schemat dotyczy obwodu przekształtnika "Cuk", typu "przełączającego" układu konwersji prądu stałego DC-DC:

W tym obwodzie tranzystor jest całkowicie włączony lub całkowicie wyłączony; to znaczy, napędzany między skrajnymi nasyceniami lub odcięciem. Poprzez uniknięcie "aktywnego" trybu tranzystora (gdzie spadłoby ono znaczne napięcie podczas przewodzenia prądu), można uzyskać bardzo niskie straty mocy tranzystora. Z małą mocą zmarnowaną w postaci ciepła, "przełączające" układy konwersji energii są zwykle bardzo wydajne.

Śledź wszystkie aktualne kierunki podczas obu stanów tranzystora. Należy również zaznaczyć biegunowość napięcia obu cewek indukcyjnych podczas obu stanów tranzystora.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Pytanie uzupełniające: w jaki sposób napięcie obciążenia tego konwertera odnosi się do napięcia zasilania (akumulatora) "uwagi ukryte"> Uwagi:

"Dziwna" nazwa tego obwodu pochodzi od nazwiska inżyniera, który je wymyślił! Aby uzyskać więcej informacji, zapoznaj się z pismami Rudy'ego Severna na ogólny temat przełączania układów konwersji mocy.

Pytanie 10

Przewidzieć, w jaki sposób działanie tego obwodu konwertera ma wpływ na następujące błędy. Rozważ każdą awarię niezależnie (tj. Pojedynczo, bez wielu błędów):

Układ napędowy nie działa ze stałym "niskim" (0 woltów) sygnałem wyjściowym:
Układ napędowy zawiedzie ze stałym "wysokim" (+ V) sygnałem wyjściowym:
Dioda nie jest zwarta:
Dławik nie daje się otworzyć:
Kondensator nie jest zwarty:

W przypadku każdego z tych warunków należy wyjaśnić, dlaczego wystąpią takie skutki.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Układ napędowy ulega awarii przy stałym "niskim" (0 woltów) wyjściu: Napięcie wyjściowe spada do zera po rozładowaniu kondensatora.
Układ napędowy ulega awarii przy stałym "wysokim" (+ V) sygnale wyjściowym : Napięcie wyjściowe wzrasta do około równego V in .
Dioda nie jest zwarta: napięcie wyjściowe spada do zera, a tranzystor ulega awarii z powodu przegrzania.
Cewka nie jest otwarta: Napięcie wyjściowe spada do zera po rozładowaniu kondensatora.
Kondensator nie jest zwarty: napięcie wyjściowe natychmiast spada do zera.

Uwagi:

Celem tego pytania jest podejść do dziedziny rozwiązywania problemów z obwodami z perspektywy wiedzy o tym, czym jest usterka, a nie tylko wiedzieć, jakie są objawy. Chociaż nie jest to koniecznie realistyczna perspektywa, pomaga uczniom zbudować podstawową wiedzę niezbędną do zdiagnozowania błędnego obwodu z danych empirycznych. Na takie pytania należy odpowiedzieć (ewentualnie) innymi pytaniami, w których prosi się uczniów o zidentyfikowanie prawdopodobnych usterek na podstawie pomiarów.

Pytanie 11

Przewidzieć, w jaki sposób działanie tego obwodu przetwornicy podwyższającej będzie miało wpływ na następujące błędy. Rozważ każdą awarię niezależnie (tj. Pojedynczo, bez wielu błędów):

Układ napędowy nie działa ze stałym "niskim" (0 woltów) sygnałem wyjściowym:
Układ napędowy zawiedzie ze stałym "wysokim" (+ V) sygnałem wyjściowym:
Dioda nie jest zwarta:
Dławik nie daje się otworzyć:
Kondensator nie jest zwarty:

W przypadku każdego z tych warunków należy wyjaśnić, dlaczego wystąpią takie skutki.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Układ napędowy ulega uszkodzeniu ze stałym "niskim" (0 woltów) sygnałem wyjściowym : Napięcie wyjściowe wzrasta do w przybliżeniu równego V in .
Układ napędowy zawiedzie ze stałym "wysokim" (+ V) sygnałem wyjściowym : Napięcie wyjściowe spada do zera po rozładowaniu kondensatora.
Zerwanie diody nie powiodło się: napięcie wyjściowe wykazuje bardzo duże "tętnienie", ponieważ napięcie wielokrotnie spada do zera i przyspiesza z każdym cyklem napędowym, tranzystor może nie działać z powodu przegrzania.
Cewka nie jest otwarta: Napięcie wyjściowe spada do zera po rozładowaniu kondensatora.
Kondensator nie jest zwarty: napięcie wyjściowe natychmiast spada do zera.

Uwagi:

Celem tego pytania jest podejść do dziedziny rozwiązywania problemów z obwodami z perspektywy wiedzy o tym, czym jest usterka, a nie tylko wiedzieć, jakie są objawy. Chociaż nie jest to koniecznie realistyczna perspektywa, pomaga uczniom zbudować podstawową wiedzę niezbędną do zdiagnozowania błędnego obwodu z danych empirycznych. Na takie pytania należy odpowiedzieć (ewentualnie) innymi pytaniami, w których prosi się uczniów o zidentyfikowanie prawdopodobnych usterek na podstawie pomiarów.

Pytanie 12

Tak zwane liniowe obwody regulacyjne pracują, regulując rezystancję szeregową lub rezystancję bocznikową w celu utrzymania napięcia wyjściowego przy pewnej wartości ułamkowej napięcia wejściowego:

Zazwyczaj te zmienne rezystory są dostarczane przez tranzystory, a nie rzeczywiste reostaty, które musiałyby być sterowane ręcznie.

Wyjaśnij, dlaczego obwód regulatora przełączającego wykonałby to samo zadanie, co liniowy obwód regulatora z dużo większą wydajnością. Należy również określić, który typ przełącznika obwodu regulacyjnego byłby najlepiej dostosowany do zadania zmniejszania napięcia wejściowego do mniejszego napięcia wyjściowego.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Obwód regulatora buck działa w prawie taki sam sposób jak transformator: obniżenie napięcia w trakcie zwiększania prądu. Idealnie, przełączanie obwodów regulacyjnych powoduje marnowanie energii zerowej, w przeciwieństwie do (rezystancyjnych) liniowych obwodów regulacyjnych.

Pytanie uzupełniające: jaki typ obwodu regulatora liniowego ma tradycyjna regulacja napięcia diody Zenera, seria lub bocznik "uwagi ukryte"> Uwagi:

W procesie analizy funkcjonalności regulatora przełączającego uczniowie łatwo mogą przeoczyć cel, dlaczego w ogóle istnieją. Omów znaczenie wydajności konwersji energii, szczególnie w przypadku aplikacji elektronicznych zasilanych z baterii.

Ważnym punktem, który należy podkreślić w tym pytaniu, jest to, że większość przełączających układów "regulacyjnych", które po raz pierwszy pokazano studentom, w rzeczywistości nie są regulatorami, a jedynie przetwornikami . Obwód przełącznika przełączającego nie staje się obwodem regulatora, dopóki nie zostanie dodana kontrola sprzężenia zwrotnego. Takie kontrole są zazwyczaj zbyt skomplikowane, aby je wprowadzić na samym początku, więc zazwyczaj są one pomijane ze względu na prostotę. Jednak uczniowie powinni zdać sobie sprawę z różnicy między obwodem regulatora przełączającego i zwykłym obwodem przekształtnika, aby przekonać konwerter, że jest w stanie uzyskać więcej niż jest.

Pytanie 13

Pokazane są tu dwa obwody obniżające napięcie: oba redukują napięcie zasilające o 13, 5 V do 5 V dla obciążenia.

Oblicz średni prąd zasilający ( dostarczam ) dla obu tych obwodów. Załóżmy, że obwód przełączający ma pomijalne straty mocy w tranzystorze, cewce, kondensatorze i diodzie. Jeżeli źródłem 13, 5 V był akumulator elektrochemiczny, to akumulator dłużej wytrzyma ten sam ładunek "# 13"> Odsłoń odpowiedź Ukryj odpowiedź

Akumulator zasilający obwód liniowy musi czerpać napięcie 240 mA, natomiast akumulator zasilający obwód przełączający musi czerpać jedynie przeciętny prąd 88, 9 mA.

Pytanie uzupełniające: oblicz wydajność energetyczną obwodu liniowego i skomentuj, dlaczego tak bardzo różni się on od obwodu przełączającego.

Uwagi:

Wyjaśnij uczniom, że przełączanie obwodów konwersji mocy jest bardzo wydajne: zwykle od 85 do 95 procent! Powinno być raczej oczywiste, która bateria wytrzyma dłużej i dlaczego. Właśnie dlatego przełączanie obwodów regulacyjnych (przetwornic DC-DC z siecią sprzężenia zwrotnego w celu stabilizacji napięcia wyjściowego) jest stosowane zamiast obwodów regulatorów liniowych (opartych na diodzie Zenera) w wielu aplikacjach elektronicznych zasilanych bateryjnie.

W istocie, przełączanie obwodów przekształtnikowych zachowuje się jak transformatory prądu stałego, zdolne do obniżania napięcia w górę (lub w górę), z prądem odwrotnie proporcjonalnym. Oczywiście prawo oszczędzania energii umożliwia przełączanie obwodów tak samo, jak w przypadku transformatorów, a studenci mogą uznać to prawo za najprostszy sposób wykonywania obliczeń prądu zasilającego i obciążenia, znając napięcie zasilania i obciążenia:

P out ≈ P in

V in I w ≈ V out out

Jeśli pozwala na to czas, możesz pokazać uczniom arkusz danych dla kontrolera konwertera mocy, pokazujący, jak istnieją układy scalone, aby precyzyjnie sterować przełączaniem tranzystorów MOSFET dla obwodów konwertera mocy, tak jak tutaj.

Pytanie 14

Napięcie wyjściowe obwodu przekształtnika kluczowego jest funkcją napięcia wejściowego i cyklu roboczego sygnału przełączającego, reprezentowanego przez zmienną D (w zakresie od 0% do 100%), gdzie D = ((t on ) / (t on + t off )):

Na podstawie tej zależności matematycznej obliczyć napięcie wyjściowe tego obwodu przetwornicy w tych cyklach pracy, przyjmując napięcie wejściowe 40 woltów:

D = 0%; V out =
D = 25%; V out =
D = 50%; V out =
D = 75%; V out =
D = 100%; V out =
Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

D = 0%; V out = 0 woltów
D = 25%; V out = 10 woltów
D = 50%; V out = 20 woltów
D = 75%; V out = 30 woltów
D = 100%; V out = 40 woltów

Uwagi:

Obliczenia dla tego obwodu powinny być bardzo proste.

Zwróć uwagę, że element przełączający na schemacie pokazany jest w formie ogólnej. To nigdy nie byłby mechaniczny przełącznik, ale raczej jakiś tranzystor.

Pytanie 15

Napięcie wyjściowe obwodu przetwornicy podwyższającej jest funkcją napięcia wejściowego i cyklu roboczego sygnału przełączającego, reprezentowanego przez zmienną D (w zakresie od 0% do 100%), gdzie D = ((t on ) / (t on + t off )):

Na podstawie tej zależności matematycznej obliczyć napięcie wyjściowe tego obwodu przetwornicy w tych cyklach pracy, przyjmując napięcie wejściowe 40 woltów:

D = 0%; V out =
D = 25%; V out =
D = 50%; V out =
D = 75%; V out =
D = 100%; V out =
Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

D = 0%; V out = 40 woltów
D = 25%; V out = 53, 3 woltów
D = 50%; V out = 80 woltów
D = 75%; V out = 160 woltów
D = 100%; V out = 0 woltów

Uwagi:

Obliczenia dla tego obwodu powinny być proste, z wyjątkiem ostatniego obliczenia z cyklem pracy D = 100%. Tutaj uczniowie muszą dokładnie przyjrzeć się obwodowi, a nie ślepo podążać za formułą.

Zwróć uwagę, że element przełączający na schemacie pokazany jest w formie ogólnej. To nigdy nie byłby mechaniczny przełącznik, ale raczej jakiś tranzystor.

Pytanie 16

Napięcie wyjściowe obwodu przekształtnika odwracającego jest funkcją napięcia wejściowego i cyklu roboczego sygnału przełączającego, reprezentowanego przez zmienną D (w zakresie od 0% do 100%), gdzie D = ((t on ) / (t on + t off )):

Na podstawie tej zależności matematycznej obliczyć napięcie wyjściowe tego obwodu przetwornicy w tych cyklach pracy, przyjmując napięcie wejściowe 40 woltów:

D = 0%; V out =
D = 25%; V out =
D = 50%; V out =
D = 75%; V out =
D = 100%; V out =
Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

D = 0%; V out = 0 woltów
D = 25%; V out = 13, 3 woltów
D = 50%; V out = 40 woltów
D = 75%; V out = 120 woltów
D = 100%; V out = 0 woltów

Uwagi:

Obliczenia dla tego obwodu powinny być proste, z wyjątkiem ostatniego obliczenia z cyklem pracy D = 100%. Tutaj uczniowie muszą dokładnie przyjrzeć się obwodowi, a nie ślepo podążać za formułą.

Zwróć uwagę, że element przełączający na schemacie pokazany jest w formie ogólnej. To nigdy nie byłby mechaniczny przełącznik, ale raczej jakiś tranzystor.

Pytanie 17

Napięcie wyjściowe obwodu konwertera Cuk (nazwanego od inżyniera, który je wynalazł) jest funkcją napięcia wejściowego i cyklu roboczego sygnału przełączającego, reprezentowanego przez zmienną D (w zakresie od 0% do 100%), gdzie D = ((t on ) / (t on + t off )):

Na podstawie tej zależności matematycznej obliczyć napięcie wyjściowe tego obwodu przetwornicy w tych cyklach pracy, przyjmując napięcie wejściowe 25 woltów:

D = 0%; V out =
D = 25%; V out =
D = 50%; V out =
D = 75%; V out =
D = 100%; V out =
Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

D = 0%; V out = 0 woltów
D = 25%; V out = 8, 33 wolta
D = 50%; V out = 25 woltów
D = 75%; V out = 75 woltów
D = 100%; V out = 0 woltów

Uwagi:

Obliczenia dla tego obwodu powinny być proste, z wyjątkiem ostatniego obliczenia z cyklem pracy D = 100%. Tutaj uczniowie muszą dokładnie przyjrzeć się obwodowi, a nie ślepo podążać za formułą.

Zwróć uwagę, że element przełączający na schemacie pokazany jest w formie ogólnej. To nigdy nie byłby mechaniczny przełącznik, ale raczej jakiś tranzystor.

Zauważa się, że nie ma różnicy między standardowym obwodem konwertera odwracającego i projektem Cuk, jeśli chodzi o obliczenia napięcia wyjściowego. To jednak nie oznacza, że ​​oba obwody są ekwiwalentne pod każdym względem! Zdecydowaną przewagą konwertera Cuk nad standardowym konwerterem odwracającym jest to, że prąd wejściowy Cuk'a nigdy nie osiąga wartości zerowej podczas cyklu wyłączania przełącznika. To sprawia, że ​​obwód Cuk jest "cichszy", jak widać ze źródła zasilania. Oba obwody konwertera i przekształtnika generują dużo szumu elektrycznego po stronie zasilania, jeśli ich wejścia są niefiltrowane!

Pytanie 18

Następujące równania rozwiązują dla napięcia wyjściowego różnych obwodów przekształtnika przełączającego (bez obciążenia), biorąc pod uwagę cykl pracy przełącznika D i napięcie wejściowe:

V out = DV in (obwód konwertera Buck)

V out = V w


1 - D

(Wzmocnienie obwodu konwertera)

V out = DV w


1 - D

(Obwód odwracania lub konwertera Cuk)

Manipuluj każdym z tych równań, aby rozwiązać cykl roboczy (D) pod względem napięcia wejściowego (V in ) i pożądanego napięcia wyjściowego (V out ). Pamiętaj, że cykl roboczy jest zawsze wielkością od 0 do 1 włącznie.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

D = V na zewnątrz


V w

(Obwód konwertera Buck)

D = 1 -  V w


V na zewnątrz

  (Wzmocnienie obwodu konwertera)

D = V na zewnątrz


V in + V out

(Obwód odwracania lub konwertera Cuk)

Uwagi:

Biorąc pod uwagę równania dla tych typów obwodów konwertera, które rozwiązują napięcie wyjściowe pod względem napięcia wejściowego i cyklu roboczego D, to pytanie jest niczym innym jak ćwiczeniem z algebraiczną manipulacją.

Uwaga dla studentów, że wszystkie te równania przyjmują warunek zerowego obciążenia w obwodzie przetwornika. Gdy obecne są obciążenia, napięcie wyjściowe nie będzie takie, jak przewidywane przez te czyste, proste formuły. Chociaż te obwody konwertera mocy DC-DC są powszechnie określane jako "regulatory", jest to nieco mylące, ponieważ powoduje fałszywe implikowanie zdolności do samokorygującej napięcia wyjściowego. Tylko w połączeniu z siecią sterowania ze sprzężeniem zwrotnym każdy z tych obwodów konwertera może faktycznie regulować napięcie wyjściowe do zadanej wartości.

Pytanie 19

Wiele przełączających obwodów konwertera używa przełączanego MOSFET zamiast diody swobodnej, jak poniżej:

Dioda jest prostym rozwiązaniem dla zapewnienia induktorowi ścieżki prądu, gdy główny tranzystor przełączający jest wyłączony. Dlaczego ktoś miałby używać innego MOSFET zamiast tego, szczególnie jeśli oznacza to, że obwód napędowy musi stać się bardziej złożony (aby napędzać dwa tranzystory w różnych czasach zamiast tylko jednego tranzystora), aby wykonać to samo zadanie "# 19"> Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

MOSFET w ulepszonym trybie obniży napięcie mniej niż dioda (nawet dioda Schottky'ego) w tym obwodzie, poprawiając wydajność energetyczną.

Uwagi:

Dla niektórych studentów może nie być oczywiste, dlaczego mniejszy spadek napięcia (przez MOSFET w porównaniu z diodą) ma wpływ na efektywność konwersji. Przypomnij im, że moc jest równa prądowi napięciowemu prądu, a dla każdego danego prądu zredukowany spadek napięcia oznacza mniejsze straty mocy. W przypadku ścieżki swobodnego ruchu kołowego mniejsze straty mocy oznaczają mniej strat energii i mniejszą moc, która musi być dostarczana przez źródło (dla tej samej mocy obciążenia), a zatem większa wydajność.

Pytanie 20

"Przełączający" konwerter przełączający działający z wydajnością 90% dostarcza 50 woltów do obciążenia DC. Oblicz prąd obciążenia, jeśli napięcie wejściowe wynosi 17 woltów, a prąd wejściowy 9, 3 amperów.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Ładuję = 2, 85 ampera

Uwagi:

Obliczenia dotyczące efektywności energetycznej wydają się niektórym studentom bardzo kłopotliwe. Jedną z zasad, które często przypominam moim uczniom, jest Prawo Ochrony Energii, które zakazuje jakiemukolwiek obwodowi produkowania większej energii (lub mocy) niż przyjmuje. Zbyt często uczniowie źle kalkulują w takich problemach, kończąc na moc wyjściowa większa niż moc wejściowa!

Porozmawiaj o technikach rozwiązywania problemów, pozyskując opinie od swoich uczniów. Idealnie byłoby, gdyby osoby lub grupy prezentowały swoje techniki klasie jako całości, abyś mógł obserwować ich procesy myślowe i aby inni uczniowie mogli nauczyć się, jak stać się lepszym rozwiązywaczem problemów.

Pytanie 21

Konwerter przełączający typu "buck" działający z wydajnością 85% dostarcza 10 amperów prądu przy 5 woltach do obciążenia DC. Oblicz prąd wejściowy, jeśli napięcie wejściowe wynosi 23 wolty.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Wprowadzam = 2, 56 ampera

Uwagi:

Obliczenia dotyczące efektywności energetycznej wydają się niektórym studentom bardzo kłopotliwe. Jedną z zasad, które często przypominam moim uczniom, jest Prawo Ochrony Energii, które zakazuje jakiemukolwiek obwodowi produkowania większej energii (lub mocy) niż przyjmuje. Zbyt często uczniowie źle kalkulują w takich problemach, kończąc na moc wyjściowa większa niż moc wejściowa!

Porozmawiaj o technikach rozwiązywania problemów, pozyskując opinie od swoich uczniów. Idealnie byłoby, gdyby osoby lub grupy prezentowały swoje techniki klasie jako całości, abyś mógł obserwować ich procesy myślowe i aby inni uczniowie mogli nauczyć się, jak stać się lepszym rozwiązywaczem problemów.

Pytanie 22

"Przełączający" konwerter przełączający pracujący z wydajnością 80% dostarcza 178 woltów przy 1 A do obciążenia DC. Oblicz napięcie wejściowe, jeśli prąd wejściowy wynosi 11 amperów.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Wejście V = 20, 2 V

Uwagi:

Obliczenia dotyczące efektywności energetycznej wydają się niektórym studentom bardzo kłopotliwe. Jedną z zasad, które często przypominam moim uczniom, jest Prawo Ochrony Energii, które zakazuje jakiemukolwiek obwodowi produkowania większej energii (lub mocy) niż przyjmuje. Zbyt często uczniowie źle kalkulują w takich problemach, kończąc na moc wyjściowa większa niż moc wejściowa!

Porozmawiaj o technikach rozwiązywania problemów, pozyskując opinie od swoich uczniów. Idealnie byłoby, gdyby osoby lub grupy prezentowały swoje techniki klasie jako całości, abyś mógł obserwować ich procesy myślowe i aby inni uczniowie mogli nauczyć się, jak stać się lepszym rozwiązywaczem problemów.

Pytanie 23

Napięcie wyjściowe konwertera buck jest bezpośrednią funkcją cyklu roboczego tranzystora przełączającego. Konkretnie, V out = V in (((t on ) / (t total ))). Wyjaśnij, w jaki sposób następujący obwód sterujący PWM reguluje napięcie wyjściowe konwertera buck:

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Jeżeli zaniknie napięcie obciążenia (wyjściowego), obwód PWM generuje sygnał wyjściowy o większym cyklu pracy, który następnie napędza tranzystor mocy, aby zapewnić większe napięcie dla obciążenia.

Pytanie uzupełniające: jaki jest cel potencjometru w tym obwodzie "uwagi ukryte"> Uwagi:

Tutaj studenci widzą obwód sterowania PWM sprzężony z konwerterem buck w celu zapewnienia konwersji mocy regulowanej napięciem. Zapytaj ich, jaka forma sprzężenia zwrotnego (dodatnia czy ujemna?) Jest używana w tym obwodzie, aby regulować napięcie wyjściowe przy stałej wartości.

Niech twoi uczniowie wiedzą, że PWM i funkcje sprzężenia zwrotnego do przełączania obwodów regulatora są często dostarczane w jednym, specyficznym dla aplikacji układzie scalonym, a nie przez zbiór dyskretnych komponentów i układów scalonych, jak pokazano w pytaniu.

Pytanie 24

Efektywność energetyczna (η) przełączających obwodów przetwornicy zwykle pozostaje dość stała w szerokim zakresie współczynników konwersji napięcia. Proszę opisać, w jaki sposób obwód regulatora przełączającego (kontrolujący napięcie obciążenia do zadanej wartości) "pojawia się" w źródle zasilania o zmieniającym się napięciu, jeżeli obciążenie regulatora jest stałe. Innymi słowy, jak zmienia się napięcie wejściowe, co robi prąd wejściowy?

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Prąd wejściowy regulatora przełączającego jest odwrotnie proporcjonalny do napięcia wejściowego przy zasilaniu stałym obciążeniem, występującym jako ujemna impedancja do źródła zasilania.

Uwagi:

"Negatywna impedancja" i "negatywny opór" to wyrażenia, które często nie są poruszane w podstawowym programie elektronicznym, ale mają ważne konsekwencje. Jeśli uczniowie doświadczają trudności w zrozumieniu znaczenia impedancji "negatywnej", przypominamy im o matematycznej definicji impedancji:

Z = dV


dI

Jedną z niezamierzonych (i sprzecznych z intuicją) konsekwencji elementu obwodu z ujemną impedancją może być oscylacja, zwłaszcza gdy obwód zasilania wejściowego ma istotną indukcyjność.

Pytanie 25

Następujący obwód konwertera DC-DC jest nazywany konwerterem terminala . Nazywa się to tym, że transfer energii z wejścia na wyjście odbywa się podczas tranzystora, a nie wtedy, gdy jest wyłączony. Sprawdź tę funkcję obwodu, śledząc prąd przez wszystkie jego części, gdy tranzystor jest włączony:

Teraz prześledź prąd przez obwód, gdy tranzystor jest wyłączony, i wyjaśnij cel uzwojenia resetowania w transformatorze:

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Na poniższych schematach zastosowano konwencjonalny zapis przepływu w celu oznaczenia kierunku prądów:

Celem zerowania uzwojenia jest uwolnienie rdzenia transformatora z energii zmagazynowanej podczas cyklu wyłączenia. Jeśli tak się nie stanie, poziomy strumienia magnetycznego rdzenia transformatora osiągną nasycenie po zaledwie kilku cyklach włączania / wyłączania tranzystora.

Uwagi:

To pytanie jest świetnym przeglądem "konwencji punktowej" używanej w symbolach transformatorowych.

Pytanie 26

Podczas gdy proste "brutalne" obwody zasilania prądem przemiennym (transformator, prostownik, filtr, regulator) są nadal używane w różnych urządzeniach elektronicznych, inna forma zasilania jest bardziej rozpowszechniona w systemach, w których małe rozmiary i wydajność są wymaganiami projektowymi . Ten rodzaj zasilania nazywany jest zasilaniem impulsowym .

Wyjaśnij, czym jest "zasilacz impulsowy", i przedstaw schemat ideowy dla prezentacji i dyskusji. (Podpowiedź: większość komputerów elektronicznych wykorzystuje "przełączające" zasilacze zamiast zasilaczy "brutalnej siły", więc schematy nie powinny być trudne do znalezienia).

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Pozwolę ci wykonać wszystkie badania na to pytanie!

Uwagi:

Podczas gdy wiele "przełączających" obwodów zasilania jest zbyt skomplikowane, aby początkujący uczniowie mogli w pełni zrozumieć, nadal będzie przydatnym ćwiczeniem do analizy takiego schematu i identyfikacji głównych komponentów (i funkcji).

Zapytaj uczniów, dlaczego "przełączające" zasilacze są mniejsze i bardziej wydajne niż "brute force". Poproś uczniów, aby zwrócili uwagę na rodzaj transformatora stosowanego do przełączania zasilaczy i kontrastują jego konstrukcję z transformatorami mocy o częstotliwości sieciowej.

Pytanie 27

Załóżmy, że twój znajomy niedawno kupił samochód terenowy. Ten przyjaciel kupił także reflektor militarny, który według niego byłby świetnym dodatkiem do nocnego oświetlenia w terenie. Jedynym problemem jest to, że reflektor jest oceniany na 24 wolty, podczas gdy układ elektryczny w jego pojeździe ma 12 woltów.

Twój przyjaciel prosi o zaprojektowanie rozwiązania do zasilania 24-woltowego reflektora z 12 woltami dostępnymi w jego pojeździe. Oczywiście nie wolno modyfikować układu elektrycznego pojazdu (zmienić go na generator 24 woltowy, akumulator, rozrusznik itp.), Ponieważ jest nowy i nadal jest objęty gwarancją. Co polecasz znajomemu "# 27"> Odsłoń odpowiedź Ukryj odpowiedź

Chociaż istnieje kilka różnych metod, które można wykorzystać tutaj do transformacji 12 woltów na 24 woltów, nie ujawnię tutaj żadnego z nich, bo inaczej nie będę psuł zabawy!

Uwagi:

Studenci mogą być skłonni do udzielania łatwych odpowiedzi na ten problem ("używaj konwertera DC-DC!"), Ale celem jest zapoznanie się z rozwiązaniami na poziomie komponentów . Nawet jeśli nie rozumieją jeszcze, jak działają obwody, powinni mieć możliwość znalezienia kompletnych rozwiązań w swoich badaniach lub przynajmniej wystarczającej liczby schematów dla poszczególnych etapów procesu konwersji, aby opracować kompletne rozwiązanie.

Przypomnij uczniom, że to jest mocne światło, które będą musieli zasilać! Ich system konwersji może wymagać setek watów.

Pytanie 28

Opisz cel i funkcję tego obwodu:

Wyjście prądu przemiennego o napięciu 120 woltów zapewnione przez ten obwód zdecydowanie nie jest sinusoidalne, a częstotliwość obwodu zmienia się wraz z obciążeniem. Czy możesz wymyślić jakikolwiek sposób na ulepszenie tych aspektów obwodu (nie musisz pokazywać szczegółów modyfikacji projektu) "# 28"> Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

To jest obwód falownika .

Przygotuj się do wyjaśnienia, co robi każdy z tranzystorów i jak transformator może działać z mocą prądu stałego na uzwojeniu pierwotnym.

Uwagi:

Ten szczególny schemat pochodzi od aplikacji transformatora marki Triad, numer części TY-75A. Zalecanymi tranzystorami były Delco 2N278, Bendix 2N678, Clevite 2N1146 i Delco 2N173. Niewielkie różnice w rezystorze i pojemnościach kondensatorów mogą skutkować lepszą wydajnością. Rezystory 3 Ω powinny mieć moc co najmniej 5 watów każda, a rezystory 150 Ω powinny mieć co najmniej 20 watów.

Pytanie 29


∫f (x) dx Calculus alert!


Elektroniczne układy konwersji mocy zwane falownikami przekształcają prąd stały w prąd przemienny, wykorzystując tranzystorowe elementy przełączające do okresowego odwracania polaryzacji napięcia prądu stałego. Zwykle inwertery podnoszą również poziom napięcia zasilania wejściowego, stosując napięcie przełączalne DC do uzwojenia pierwotnego transformatora podwyższającego. Możesz pomyśleć o elektronice przełączającej inwertera, podobnie jak dwubiegunowy, dwustopniowy przełącznik, który jest odwracany wiele razy na sekundę:

Pierwsze komercyjnie dostępne falowniki wytworzyły proste wyjście prostokątne:

Spowodowało to jednak problemy w przypadku większości transformatorów mocy zaprojektowanych do pracy na fali prądu przemiennego. Po zasileniu przez falę prostokątną takiego falownika, większość transformatorów będzie nasycała się z powodu nadmiernego strumienia magnetycznego gromadzącego się w rdzeniu w pewnych punktach cyklu przebiegu. Aby opisać to w najprostszy sposób, fala prostokątna ma większy woltowy produkt niż falę sinusoidalną o tej samej amplitudzie szczytowej i częstotliwości podstawowej.

Tego problemu można uniknąć, zmniejszając napięcie szczytowe fali prostokątnej, ale wtedy niektóre typy zasilanego sprzętu będą doświadczały trudności z powodu niewystarczającego (maksymalnego) napięcia:

Funkcjonującym rozwiązaniem tego dylematu okazał się zmodyfikowany cykl roboczy dla fali prostokątnej:

Oblicz frakcję połowy cyklu, dla którego ta zmodyfikowana fala kwadratowa jest "włączona", aby mieć ten sam woltowy drugi produkt jako falę sinusoidalną dla półcyklu (od 0 do π radianów):

Wskazówka: chodzi o wyliczenie odpowiednich obszarów pod każdym przebiegiem w dziedzinie półcyklu.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Frakcja = (2 / (π)) ≈ 0, 637

Pytanie dotyczące wyzwania: udowodnić, że frakcja cyklu pracy niezbędna dla fali prostokątnej ma tę samą wartość skuteczną, co fala sinusoidalna, dokładnie 1/2 . Wskazówka: woltowy kwadrat drugiego produktu z dwóch przebiegów musi być równy, aby ich wartości RMS były równe!

Uwagi:

Ten problem jest doskonałym przykładem tego, jak integracja jest wykorzystywana w bardzo praktycznym znaczeniu. Nawet jeśli twoi studenci nie są obeznani z rachunkiem, powinni przynajmniej być w stanie zrozumieć pojęcie równych produktów wolt-sekundowych dla dwóch przebiegów i być w stanie powiązać to z ilością strumienia magnetycznego gromadzącego się w rdzeniu transformatora przez cały cykl .

Pytanie 30

Powszechna topologia obwodów konwertera prądu DC-AC wykorzystuje parę tranzystorów do przełączania prądu stałego przez uzwojenie centralnie gwintowanego transformatora podwyższającego, jak poniżej:

Aby ta forma obwodu działała prawidłowo, tranzystorowe sygnały "wyzwalające" muszą być precyzyjnie zsynchronizowane, aby zapewnić, że oba urządzenia nie zostaną włączone jednocześnie. Poniższy schemat pokazuje obwód do generowania niezbędnych sygnałów:

Wyjaśnij, w jaki sposób działa ten obwód, i określ lokalizacje potencjometrów regulacji częstotliwości i sterowania cyklem roboczym.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Diagram czasowy jest wart tysiąca słów:

V ref = napięcie referencyjne DC ustawione przez potencjometr cyklu roboczego
V cap = Napięcie zmierzone na górnym zacisku kondensatora 555
V comp = napięcie wyjściowe komparatora
V 555 (na wyjściu) = 555 wyjściowe napięcie zegara
Q = Nieodwrócone wyjście flip-flopa JK
(Q) = Odwrócony wynik przerzutnika JK

Pytanie uzupełniające: w którym kierunku należy przesunąć potencjometr częstotliwości, aby zwiększyć częstotliwość wyjściową tego obwodu "uwagi ukryte"> Uwagi:

To pytanie jest ćwiczeniem na schemacie i interpretacji schematu czasowego. Przy okazji zbudowałem i przetestowałem ten obwód i mogę powiedzieć, że działa bardzo dobrze.

  • ← Poprzedni arkusz roboczy

  • Indeks arkusza roboczego

  • Następny arkusz roboczy →