IMPULSS – STABILISAATORIGA TOITEPLOKK (0)

TTÜ Kuressaare Kolledž
IMPULSS – STABILISAATORIGA TOITEPLOKK
Aruanne õppeaines
SKK0122 Elektroonika alused – projekt
Õppejõud: Argo Kasemaa
Kuressaare 2012

Sisukord

1.TÖÖ EESMÄRK JA ÜLESANNE 3
2. PINGET ALANDAVATE (BUCK) IMPULSS-STABILISAATORITE TÖÖPÕHIMÕTE 3
3. Toiteploki koostamine ja komponentide arvutused 6
4.Mõõtmistulemused 12
4.1 Väljundpinged 12
4.2 Väljundpinged koormisega 13
4.3 Pulsatsiooni mõõtmised pingel 3,3 V 14
14
14
4.4 Pulsatsiooni mõõtmised maksimaalsel pingel 17
17
17
5.KOKKUVÕTE 23
Kasutatud kirjandus 23

1.TÖÖ EESMÄRK JA ÜLESANNE

Tutvuda impulss-stabilisaatorite tööpõhimõttega. Valmistada impulssrežiimis pingestabilisaatoriga kahepolaarse reguleeritava väljundiga toiteplokk, teostada vajalikud mõõtmised ja kirjutada tehtu kohta aruanne. Iseseisev vajaminevate komponentide arvutus National Semiconductors mikroskeemi LM2575 andmelehtede ja veebipõhise simulaatori WEBENCH põhjal.

2. PINGET ALANDAVATE (BUCK) IMPULSS-STABILISAATORITE TÖÖPÕHIMÕTE

Impulss- stabilisaator koosneb mikroskeemist LM2575, paispoolist, Schottky dioodist ning kondensaatoritest. Esmalt , kui mikroskeemis olev transistorlüliti sulgub, siis vool läbi induktiivpooli kasvab vastavalt pooli induktiivsusele ja koormustakistusele (τ = L/R), mistõttu poolil tekib esialgu lülitamise hetkel suur pingelang ja koormusel on pinge väike. Pikkamööda vastavalt ajakonstandile τ laseb induktiivpool voolul kasvada, salvestades energiat magnevälja, ja pinge koormusel kasvab. Lüliti avatakse hetkel, kui pinge väljundis on saavutanud soovitud väärtuse. Lüliti avanedes toimub induktivpoolis eneseinduktsiooni nähtus, pinge polaarsus muutub ja tekib uus vooluring läbi Schottky dioodi. Läbi päripinges dioodi suunatakse induktiivpoolis salvestunud energia koormusesse. Kui lüliti avaneb enne, kui pool on küllastunud, siis on alati pinge koormusel väiksem kui sisendpinge . Kui lüliti jälle avaneb, siis vool väheneb, kuid pool töötab selle vastu ja käitub kui pingeallikas (teistpidi polaarsusega). Pikkamööda vool ja pinge vähenevad, mille ajal poolis salvestatud energia liigub koormusesse. Kui lüliti sulgub enne kui pool täielikult maha laetud, siis koormus näeb alati nullist erinevat pinget. Paralleelselt asetatud kondensaator aitab siluda pinge lainetust, kui paispool igas tsüklis peale ja maha laeb.
Joonis 1. Buck impulss-stabilisaator
Algeline buck impulss-stabilisaator koosneb poolist, dioodist, lülitist ja vea võimendist koos lüliti kontrolli skeemiga . Skeem töötab muutes ajavahemikku, mille vältel induktiivpool saab energiat sisendist. Koormusel olev väljundpinge detekteeritakse vea võimendi poolt ja genereeritakse vea pinge, mis kontrollib lülitit. Tavaliselt kontrollib lülitit pulsilaiusmodulaator, lüliti püsib kauem suletud olekus kuna koormus tarbib rohkem voolu ja pinge tahab langeda, sageli kasutatakse kindla sagedusega ostsillaatorit lüliti juhtimiseks [2].
Joonis 2. Lüliti, pooli, dioodi ja sisendi voolud [2]
Voolu lainekuju diagrammil on näha, et pooli vool on dioodi ja sisendi voolude summa. Vool liigub kas läbi lüliti või dioodi. Kondensaator paigaldatakse väljundisse, et pinge kõikumisi siluda, eriti lüliti avamise ja sulgumise üleminekutel [2].
Joonis 3. Pingeregulaatori plokkskeem [3]
Joonisel on impulss-stabilisaatori plokkskeem. Koormusel olev pinge läheb läbi tagasiside ahela mikroskeemi ja läbi operatsioonivõimendi komparaatorisse. Kui 52 kHz ostsillatori pinge langeb alla mitte-inverteeriva sisendi pinge, siis lastakse läbi kõrgeim läbilastav positiivne pinge, mis läbib ja-ei elemendi kontrollerisse, mis juhib transistori lülitust [3].

3. Toiteploki koostamine ja komponentide arvutused

Toiteplokk koostati joonisel 2.1 toodud elektriskeemi alusel. Toiteplokk koosneb kahe sekundaarmähisega transformaatorist T1; kahest täisperioodalaldist D1 ja D4 ning aladile järgnevatest silukondensaatoritest C1 ja C3; Impulss-stabilisaatori moodustavad integraalskeemid U1, U2 ja paispoolid L1, L2 ning silukondensaatorid C2, C5; paispoolide vool kulgeb peale integraalskeemis lülititransistori sulgumist läbi Schottky siirdega alaldusdioodide D2, D3; tagasisideahela moodutavad kahesektsiooniline lineaarse tunnusjoonega potentsiomeeter P1 ja püsitakistid R1, R2. Kondensaatorid C2, C5 peavad olema madala impedantsiga (Low ESR) elektrolüütkondensaatorid, kuid siiski tuleb nad sillata parasiitsete komponentide mõju vähendamiseks keraamiliste kondensaatoritega C4, C6. Kõrgema taktsagedusega integraalskeemide LM2592HV ja LM2596 kasutamisel on vajalik sillata ka alaldatud võrgupinge silukondensaatorid C1, C3 keraamiliste kondensaatoritega [4].
Impulss-stabilisaatori komponendid sai joodetud valmis trükkplaadile, millel kasutatakse kahte integraalset pinget alandavat (Buck) impulss-stabilisaatorit LM2575.
Joonis 4. Impulsstoiteploki elektriskeem.
Alaldi , dioodid D1, D4 ja elektrolüütkondensaator C1, väljundpinge URO avaldub valemist:
kus Use on transformaatori sekundaarmähise pinge efektiivväärtus ja UF on alaldusdioodi päripingelang. Alaldi väljundpinge on ühtlasi ka impulss-stabilisaatori mikroskeemi U1 sisendpinge UIN. Asetades lähteandmed valemisse saame:
Seega on eeldatav sisendpinge maksimaalväärtus u 20,5 V. Silukondensaatori C1 mahtuvuse arvutamisel on lubatav sisendpinge pulsatsioon kpul kuni 10 %, ehk sisendpinge UIN väheneb kuni 18,5 V.
Silukondensaatori C1 arvutamiseks kasutame valemit:
kus IROmax alaldi väljundi maksimaalne vool. Kasutatava transformaatori näivvõimsus on 20 VA, seega maksimaalne võimalik vool IROmax on kuni 1 A (tegelikult väiksem, sest me ei arvesta transformaatori kadusid ). Arvutused andsid C1 väärtuseks 1220 µF, lähim sobiv nominaalväärtus on 1500 µF.
Takistite R1, R2 väärtused avalduvad valemist:
kus UOUT on toiteploki väljundpinge, UREF on tugipinge (1,23 V), P1 potentsiomeetri P1 takistus (47kΩ), R1 takisti R1 takistus. Asetades lähteandmed valemisse saame:
Paispooli volt * mikrosekund konstandid avalduvad valemist:
kus E x T on induktiivpooli volt * mikrosekund konstant, UIN on impulss-stabilisaatori mikroskeemi sisendpinge, UOUT on toiteploki väljundpinge, mis on reguleeritav, seega peab arvutama kogu pingevahemiku jaoks, F on mikroskeemi ostsillaatori sagedus 52 kHz. Asetades lähteandmed valemisse saame tabeli:
Uout
E x T
1,25
22,3
2
33,8
3
47,8
4
60,0
5
70,4
6
78,8
7
85,4
8
90,1
9
92,9
10
93,8
11
92,9
12
90,1
13
85,4
14
78,8
15
70,4
Tabel 1. Volt * mikrosekund arvutused vastavalt väljundpinge muutusele
Tabeli väärtustest saame graafiku.
Joonis 5. Volt * mikrosekund graafik vastavalt väljundpinge muutustele
Joonis 6. Paispooli induktiivsuse valiku graafik [1]
Vastavalt graafikule sobiks L330 (330μH), kuid pole võimalik seda olevate vahenditega valmistada, seetõttu tuleb teha L220 (220μH) moodi.
Väljund kondensaatorite C2, C5 väärtused avalduvad valemist:
kus C2 kondensaatori C2 mahtuvus, UIN on impulss-stabilisaatori mikroskeemi sisendpinge, UOUT on toiteploki väljundpinge, L paispooli induktiivsus . Asetades lähteandmed tabelisse arvutan kondensaatori C2 vajaliku mahtuvuse kolmes erinevas joonisel 3.2 määratud punktis.
UOUT = 1,25 V
UOUT = 10 V
UOUT = 15 V
Leitud mahtuvust aritmeetiline keskmine 234 μF, valitud sai sellest lähtuvalt lähima mahtuvusega 220 μF kondensaator.
Induktiivpooli keerdude arv avaldub valemist:
kus L on valitud induktiivpooli induktiivsus, N keerdude arv, AL traadi ühe täisringi induktiivsus.
Pannes arvud valemisse, saame:
Saadud poolile võimalik kerida 70 keerdu, seega küllalt lähedale arvutuslikult vajalikule.

4.Mõõtmistulemused

4.1 Väljundpinged

Kanal 1
Kanal 2
1,264
1,2406
2,037
2,042
2,487
2,437
2,943
2,78
3,463
3,414
3,941
3,918
4,53
4,489
5,062
5,022
5,464
5,249
6,093
5,897
6,532
6,394
6,946
6,791
7,521
7,338
8,061
7,842
8,61
8,295
9,045
8,777
9,535
9,277
10,128
9,841
10,723
10,447
11,282
10,97
11,919
11,647
12,592
12,274
13,101
12,692
13,622
13,29
Joonis 7. Kanal 1 ja kanal 2 väljundpinged tühijooksul
Tabel 2. Väljundpinged tühijppksul ( Kanal 1 ja kanal 2 )
Maksimaalsel väljundpingel: kanal 1 13.3 V ja 1,13A, kanal 2 12,272 V ja 1,0427.
Minimaalsel väljundpingel: kanal 1 5,5 V ja 1,1 A, kanal 2 9,6 V ja 1,16317 A.
Väljund läheb piiramisse 1,5 A (kanal 1), 1,37 A (kanal 2).
Kahevahelt 13,030 V, 1,1 A

4.2 Väljundpinged koormisega

Kanal 1
Kanal 2
1,231
1, 2375
2,01
2, 1143
2,489
2,722
2,93
3,001
3,501
3,343
4,014
4,034
4,546
4,551
5,09
5,056
5,531
5,438
6,014
5,967
6,545
6,475
7,067
6,931
7,623
7,501
8,003
7,978
8,543
8,352
9,068
8,914
9,598
9,458
10,039
9,9002
10,525
10,839
11,076
10,858
11,563
11,313
12,017
11,801
12,561
12,249
12,75
12,41

Joonis 8. Kanal 1 ja Kanal 2 väljundpinged koormisega

Tabel 3. Väljundpinged koormisega (Kanal 1 ja kanal2)

4.3 Pulsatsiooni mõõtmised pingel 3,3 V

Joonis 9. Mõõteskeem

Joonis 10. Sisendpilge pulsatsioon

T = 10 ms
Pulsatsiooni tegur
Joonis 11. Kanal 1 pulsatsioon
Pulsatsiooni tegur
Pinge 3,345 V ja vool 1,0009 A.
Joonis 12. Kanal 1 transistori lülitused
Joonis 13. Kanal 2 pulsatsioon
Pulsatsiooni tegur
Pinge 3,229 V ja vool 0,9848 A.
Joonis 14. Kanal 2 transistori lülitused
Täitetegur
0,2

4.4 Pulsatsiooni mõõtmised maksimaalsel pingel

Joonis 15. Mõõteskeem maksimaalsel pingel

Joonis 16. Sisendpinge pulsatsioon
T= 10 ms
Pulsatsiooni tegur
Joonis 17. Kanal 1 pulsatsioon
Pulsatsiooni tegur
Multimeetrilt pinge 13,213 V ja vool 0,6606 A.
Joonis 18. Kanal 2 pulsatsioon
Pulsatsiooni tegur
Multimeetrilt pinge 13,068 V ja vool 0,6362 A.
Joonis 19. Kanal 1 transistori lülitused maksimaalsel pingel
Täitetegur
Joonis 20. Kanal 1 transistori lülitused minimaalsel pingel
Joonis 21. Kanal 2 transistori lülitused maksimaalsel pingel
Täitetegur
Joonis 22. Kanal 2 transistori lülitused minimaalsel pingel
Joonis 23. Kanal 1 ja kanal 2 koormuseta

5.KOKKUVÕTE

Sai uuritud LM2575 andmelehte ja selle põhjal arvutatud vajalike komponentide väärtused. Testimisel selgus, et on vaja suuremat mahtuvust teise kanali sisendis ja väljundis. Multimeetritega mõõdetud kanalite väljundpinged olid graafikult vaadates võrdsed, erinevus suurim maksimaalsel pingel, erinevus tingitud potentsiomeetri kanalite takistuse erinevusest. Andmelehelt lubatav vähemalt 1 A vool oli saavutatav, vastavalt 1,5 A ja 1,4 A. Digiostsillograafiga sai mõõdetud sisendi ja väljundite pulsatsiooni koormatult 3,3 V väljundpingel ja maksimaalsel väljundpingel ning arvutatud pulsatsioonitegurid. Pulsatsioon 3,3 V koormusega oli saehamba kujuline, maksimaalsel pingel kolmnurga või nelinurga kujuline. Mikroskeemide transistorite lülituste jooniste põhjal sai arvutatud täitetegurid. Vool paispoolis ei ole pidev.

Kasutatud kirjandus

Vikipeedia. Pinge impulss-stabilisaator, http://et.wikipedia.org/wiki/Pinge_impulss-stabilisaator

Vikipeedia. Pinge impulss-stabilisaator, http://et.wikipedia.org/wiki/Pilt:Pulse_stab.svg

LM1575/LM2575/LM2575HV SIMPLE SWITCHER® 1A Step-Down Voltage Regulator,
http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/203235/NSC/LM2575.html