TEHNIČKO VELEUČILIŠTE U ZAGREBU

STRUČNI STUDIJ ELEKTROTEHNIKE

Haris Kovačević

OVISNOST REŽIMA RADA UZLAZNOG PRETVARAČA O

SKLOPNOJ FREKVENCIJI

ZAVRŠNI RAD br. 1485

Zagreb, rujan, 2013.

TEHNIČKO VELEUČILIŠTE U ZAGREBU

STRUČNI STUDIJ ELEKTROTEHNIKE

Haris Kovačević

JMBAG: 0246033767

OVISNOST REŽIMA RADA UZLAZNOG PRETVARAČA O

SKLOPNOJ FREKVENCIJI

ZAVRŠNI RAD br. 1485

Zagreb, rujan, 2013.

4

Sažetak

Napravljena je fizička izvedba uzlaznog istosmjernog pretvarača. Napravljen je proračun za

kontinuirani i diskontinuirani način rada, nakon čega su dobiveni rezultati uspoređeni sa

rezultatima mjerenja kako bi se pokazala razlika između analitičkog modela i fizičke

realizacije. Napravljena je i simulacija pretvarača u simulacijskom programu Simplorer

7.0.Usporedbom rezultata analitičkog proračuna, simulacije i mjerenja, zaključujemo da

analitički proračun i simulacija ne dajumjerenjem dobivena ustaljena stanja te da nam ne

mogu poslužiti za analizu rada uzlaznog pretvarača u nekim vrstama ustaljenih stanja.

5

Sadržaj: Sažetak .................................................................................................................................... 4

Popis oznaka i kratica ............................................................................................................. 6

Popis tablica ............................................................................................................................ 9

Popis slika ............................................................................................................................. 10

1. UVOD ....................................................................................................................... 12

2. ANALIZA PRETVARAČA ................................................................................... 13

2.1 Kontinuirani način rada .................................................................................................. 13

2.2 Diskontinuirani način rada .............................................................................................. 16

2.3 Proračun za kontinuirani način rada ............................................................................... 18

2.3.1 Proračun zafs1iUd1(0) .................................................................................................... 19

2.3.2 Proračun zafs1iUd2(0) .................................................................................................... 20

2.4 Proračun za diskontinuirani način rada .......................................................................... 21

2.4.1 Proračun zafs2iUd1(0) .................................................................................................... 21

2.4.2 Proračun zafs2iUd2(0) .................................................................................................... 23

3. OPIS PRETVARAČA ............................................................................................ 24

3.1 Električna shema ............................................................................................................. 24

3.2 Popis komponenata i objašnjenja funkcija ..................................................................... 25

3.3 Fizička izvedba uzlaznog pretvarača .............................................................................. 26

4. SIMULACIJA PRETVARAČA ............................................................................ 28

4.1 Simulacija za napon Ud1(0) ............................................................................................. 29

4.2 Simulacija za napon Ud2(0) ............................................................................................. 32

5. MJERENJA ............................................................................................................. 35

5.1 Mjerenja za napon Ud1(0) ............................................................................................... 37

5.2 Mjerenja za napon Ud2(0) ............................................................................................... 42

6. KOMENTAR ........................................................................................................... 47

7. ZAKLJUČAK ......................................................................................................... 48

8. LITERATURA ........................................................................................................ 49

PRILOG 1 .................................................................................................................... 50

Tehnički podaci integriranog sklopa MC34060 ................................................................... 50

PRILOG 2 .................................................................................................................... 63

Tehnički podaci tranzistora TIP121 ..................................................................................... 63

6

Popis oznaka i kratica

1C kondenzator za podešavanje svojstava povratne veze

2C kondenzator za podešavanje sklopne frekvencije

3C kondenzator za brže uklapanje tranzistora

4C kondenzator za smanjenje smetnji izvora

dC kondenzator

DNR diskontinuirani način rada

E naponski izvor

sf sklopna frekvencija

Hmin najmanji korak integracije

Hmax najveći korak integracije

IC integrirani sklop MC34060A

Cdi struja kondenzatora

0dI srednja vrijednost struje trošila

0EI srednja vrijednost struje prigušnice

Ei valovitost struje zavojnice

IEmax najveća pogreška struje

LEi struja prigušnice

Iteratmax najveći broj iteracija u jednom koraku integracije

KNR kontinuirani način rada

EL prigušnica

LDF lokalna pogreška diskretizacije

1P potenciometar za promjenu sklopne frekvencije

2P potenciometar za promjenu izlaznog napona

7

321,, RRR otpornici za podešavanje osjetljivosti povratne veze

54,RR otpornici za podešavanje mrtvog vremena

76,RR otpornici za podešavanje sklopne frekvencije

8R otpornik za namještanje radne točke izlaza integriranog kruga

9R otpornik za namještanje struje baze i brzine sklapanja

121110,, RRR otporničkodjelilo za podešavanje izlaznog napona

dR trošilo

LR predotpornik za mjerenje struje

uzR~

izmjenični otpor

Cdu napon kondenzatora, izlazni napon

0dU srednja vrijednost izlaznog napona

du valovitost izlaznog napona

LEu napon prigušnice

T perioda struje prigušnice i izlaznog napona

sT sklopna perioda

1VT vrijeme vođenja ventila V1

2VT vrijeme vođenja ventila V2

Tend simulirano vrijeme

1V upravljivi ventil

2V neupravljivi ventil

VEmax najveća pogreška napona

faktor vođenja

vremenska konstanta trošila RdCd

d vlastita frekvencija titrajnog kruga uzlaznog pretvarača

8

9

Popis tablica

Tablica 2.1Zadane vrijednosti za analitički proračun uzlaznog pretvarača ........................................................... 18

Tablica 3.1 Popis komponenata i objašnjenja funkcija ......................................................................................... 25

Tablica 4.1 Fiksni parametri simulacije ................................................................................................................ 28

Tablica 4.2 Zadane vrijednosti Ud(0) = 16 V, fs = 1 kHz ..................................................................................... 29

Tablica 4.3 Zadane vrijednosti Ud(0) = 16 V, fs = 1,5 kHz ................................................................................... 29

Tablica 4.4 Zadane vrijednosti Ud(0) = 16 V, fs = 1,7 kHz ................................................................................... 30

Tablica 4.5 Zadane vrijednosti Ud(0) = 16 V, fs = 2,5 kHz ................................................................................... 30

Tablica 4.6 Zadane vrijednosti Ud(0) = 16 V, fs = 12,5 kHz ................................................................................. 31

Tablica 4.7 Zadane vrijednosti Ud(0) = 30 V, fs = 263 Hz .................................................................................... 32

Tablica 4.8 Zadane vrijednosti Ud(0) = 30 V, fs = 689 Hz .................................................................................... 32

Tablica 4.9 Zadane vrijednosti Ud(0) = 30 V, fs = 769 Hz .................................................................................... 33

Tablica 4.10 Zadane vrijednosti Ud(0) = 30 V, fs = 2,5 kHz ................................................................................. 33

Tablica 4.11 Zadane vrijednosti Ud(0) = 30 V, fs = 12,5 kHz ............................................................................... 34

Tablica 5.1 Popis mjerne opreme .......................................................................................................................... 35

10

Popis slika

Slika 2.1 Shema spoja uzlaznog istosmjernog pretvarača ..................................................................................... 13

Slika 2.2 Shema spoja pretvarača za prvi interval rada ......................................................................................... 13

Slika 2.3 Shema spoja pretvarača za drugi interval rada ....................................................................................... 14

Slika 2.4 Valni oblik struje i napona prigušnice i kondenzatora u KNR-u ........................................................... 15

Slika 2.5 Shema spoja pretvarača za treći interval rada ........................................................................................ 16

Slika 2.6 Valni oblik struje i napona prigušnice i kondenzatora u DNR-u ........................................................... 17

Slika 2.7 Valni oblik struje prigušnice i izlaznog napona u KNR-u ..................................................................... 19

Slika 2.8 Valni oblik struje prigušnice i izlaznog napona u KNR-u ..................................................................... 20

Slika 2.9 Valni oblik struje prigušnice i izlaznog napona u DNR-u ..................................................................... 22

Slika 2.10 Valni oblik struje prigušnice i izlaznog napona u DNR-u ................................................................... 23

Slika 3.1 Električna shema fizički realiziranog uzlaznog pretvarača .................................................................... 24

Slika 3.2 Nacrt vodova u mjerilu 1:1 .................................................................................................................... 26

Slika 3.3 Izrađen pretvarač .................................................................................................................................... 27

Slika 4.1 Shema uzlaznog pretvarača .................................................................................................................... 28

Slika 4.2 Simulirani valni oblici struje prigušnice i izlaznog napona Ud(0) = 16 V, fs = 1 kHz ............................ 29

Slika 4.3 Simulirani valni oblici struje prigušnice i izlaznog napona Ud(0) = 16 V, fs = 1,5 kHz ......................... 29

Slika 4.4 Simulirani valni oblici struje prigušnice i izlaznog napona Ud(0) = 16 V, fs = 1,7 kHz ......................... 30

Slika 4.5 Simulirani valni oblici struje prigušnice i izlaznog napona Ud(0) = 16 V, fs = 2,5 kHz ......................... 30

Slika 4.6 Simulirani valni oblici struje prigušnice i izlaznog napona Ud(0) = 16 V, fs = 12,5 kHz ....................... 31

Slika 4.6 Simulirani valni oblici struje prigušnice i izlaznog napona Ud(0) = 30 V, fs = 263 Hz .......................... 32

Slika 4.7 Simulirani valni oblici struje prigušnice i izlaznog napona Ud(0) = 30 V, fs = 689 Hz .......................... 32

Slika 4.8 Simulirani valni oblici struje prigušnice i izlaznog napona Ud(0) = 30 V, fs = 769 Hz .......................... 33

Slika 4.9 Simulirani valni oblici struje prigušnice i izlaznog napona Ud(0) = 30 V, fs = 2,5 kHz ......................... 33

Slika 4.11 Simulirani valni oblici struje prigušnice i izlaznog napona Ud(0) = 30 V, fs = 12,5 kHz ..................... 34

Slika 5.1 Radno mjesto u laboratoriju ................................................................................................................... 35

Slika 5.2 Shema mjernog spoja ............................................................................................................................. 36

Slika 5.3 Izmjereni valni oblici struje prigušnice i izlaznog napona za Ud(0) = 16 V, fs = 1 kHz ......................... 37

Slika 5.4 Izmjereni valni oblici struje prigušnice i izlaznog napona za Ud(0) = 16 V, fs = 1,5 kHz ...................... 38

Slika 5.5 Izmjereni valni oblici struje prigušnice i izlaznog napona za Ud(0) = 16 V, fs = 1,7 kHz ...................... 39

11

Slika 5.6 Izmjereni valni oblici struje prigušnice i izlaznog napona za Ud(0) = 16 V, fs = 2,5 kHz ...................... 40

Slika 5.7 Izmjereni valni oblici struje prigušnice i izlaznog napona za Ud(0) = 16 V, fs = 12,5 kHz .................... 41

Slika 5.8 Izmjereni valni oblici struje prigušnice i izlaznog napona za Ud(0) = 30 V, fs = 263 Hz ....................... 42

Slika 5.9 Izmjereni valni oblici struje prigušnice i izlaznog napona za Ud(0) = 30 V, fs = 689 Hz ....................... 43

Slika 5.10 Izmjereni valni oblici struje prigušnice i izlaznog napona za Ud(0) = 30 V, fs = 769 Hz ..................... 44

Slika 5.11 Izmjereni valni oblici struje prigušnice i izlaznog napona za Ud(0) = 30 V, fs = 2,5 kHz .................... 45

Slika 5.12 Izmjereni valni oblici struje prigušnice i izlaznog napona za Ud(0) = 30 V, fs = 12,5 kHz .................. 46

12

1. Uvod

Uzlazni istosmjerni pretvarač [1, 2] široko je rasprostranjen elektronički energetski pretvarač.

Najčešće se upotrebljava za napajanje elektroničkih sklopova.

U radu je izrađen i ispitan jedantakav pretvarač. Napravljen je proračun za kontinuirani i

diskontinuirani način rada, nakon čega su dobiveni rezultati uspoređeni sa rezultatima

mjerenja kako bi se pokazala razlika između analitičkog modela i fizičke realizacije. Izrađeni

pretvarač je i simuliran u simulacijskom programu Simplorer 7.0.

Glavni zadatak završnog rada je ispitati režime rada uzlaznog istosmjernog pretvarača

mijenjajući njegovu sklopnu frekvenciju i tako pokazati jedan od aspekata ograničenja u

izboru sklopne frekvencije. Ova ograničenja manifestiraju se kroz preveliku valovitost

izlaznog napona i ulazne struje pretvarača.

13

2. Analiza pretvarača

U analizi pretvarača pretpostavit će se da je sklop u ustaljenom stanju. Ventili će se modelirati

idelanim sklopkama koje trenutno sklapaju sklopnom frekvencijom fs.

Slika 2.1 Shema spoja uzlaznog istosmjernog pretvarača

2.1 Kontinuirani način rada

Ako struja prigušnice tj. struja izvora unutar periode Ts ne padne na nulu, kažemo da se

uzlazni istosmjerni pretvarač nalazi u kontinuiranom načinu rada (KNR) [1, 2].

Unutar sklopne periode postoje dva intervala rada:

1) Interval u kojem vodi upravljivi ventil 1V

Slika 2.2 Shema spoja pretvarača za prvi interval rada

Za vrijeme vođenja ventila 1V , napon na prigušnici EL jednak je naponu izvora. Budući da je

na prigušnicunarinut konstantan pozitivan napon, struja prigušnice raste po pravcu i

prigušnica se puni magnetskom energijom.

14

0d1

0

LE

αT

LE

E

LE ituL

iS

Napon na kondenzatoru se smanjuje zato što se kondenzator prazni preko otpornika dR .

0d1

0

Cd

αT

Cd

d

Cd utiC

uS

Pretpostavimo li da je vremenska konstanta τ = RdCd puno duža od sklopne periode Ts = 1/fs

napon na kondenzatoru uCd = udmijenja se približno po pravcu kao na slici 2.4.

2) Interval u kojem vodi ventil 2V

Slika 2.3 Shema spoja pretvarača za drugi interval rada

Za vrijeme vođenja ventila 2V , napon na prigušnici se može izračunati iz jednadžbe

Kirchhoffovog zakona napona (KZN)

0dLE UEu

Navedeni izraz vrijedi ako se napon trošila ud ne promijeni značajnije unutar sklopne periode.

To je pak ispunjeno ako je vlastita frekvencija titrajnog kruga ωd << 2πfs. Zato se napon

kondenzatora (trošila) mijenja po pravcu.

Zbog jednakosti voltsekundi kod uzlaznog istosmjernog pretvarača je Ud(0) > E, slika 2.4.

Vidimo da je napon na prigušnici negativan. Taj negativni napon uzrokuje smanjenje struje

prigušnice. Sada se prigušnica ponaša kao izvor i predaje svoju energiju trošilu.

Napon na kondenzatoru se povećava zato što se puni energijom koju daje prigušnica.

Uz malu valovitost izlaznog napona vrijedit će

15

ddd

UUu 0

E

LEu

EUd

sαT sT t

LEi

LEΔi

0EI

Cdi

dI

dE II

Cdu

CdΔu

0dU

0

t

t

tsαT sT0

Slika 2.4 Valni oblik struje i napona prigušnice i kondenzatora u KNR-u

Valovitost struje prigušnice jednaka je

E

s

EL

TEΔi

a valovitost napona kondenzatora iznosi

C

TIΔu sd

d

α

16

Upravljačka karakteristika može se dobiti iz valnog oblika napona prigušnice:

αI

I

E

U

αTTEUTE

d

Ed

ssds

1

1

0

0

2.2 Diskontinuirani način rada

Ako struja prigušnice tj. struja izvora unutar periodeTspadne na nulu, kažemo da se uzlazni

istosmjerni pretvarač nalazi u diskontinuiranom načinu rada (DNR)[1, 2].

U diskontinuiranom načinu rada, unutar sklopne periode ST , postoje tri intervala rada, slika

2.6:

1) Interval u kojem vodi upravljivi ventil 1V

2) Interval u kojem vodi ventil 2V

Analiza rada pretvarača za prvi i drugi interval diskontinuiranog načina rada ista je kao i u

kontinuiranom načinu rada, pa se neće ponovno razmatrati.

3) Interval u kojem ne vode niti ventil 1V , niti ventil 2V

Slika 2.5 Shema spoja pretvarača za treći interval rada

U trećem intervalu dok ne vode niti ventil 1V , niti ventil 2V , napon i struja prigušnice

jednakisu nuli.

Napon na kondenzatoru se smanjuju zato što se kondenzator prazni preko otpornika dR .

17

LEu

t

E

EUd

sαT

LEi

0EILEΔi

0sT

dI

dE II

Cdi

Cdu

0dU

CdΔu

2VT1VT

t

t

tsαT sT0

Slika 2.6 Valni oblik struje i napona prigušnice i kondenzatora u DNR-u

Srednja vrijednost struje prigušnice jednaka je

s

VVEd

uz

ET

TTΔiI

R

EI 21

2

10~0

Faktor uzR~

jednak je

s

Euz

Tα

LR

2

2~

18

a naziva se izmjenični otpor [1].

Upravljačka karakteristika u diskontinuiranom načinu rada dana je izrazom

2

~4

11uz

d

d

R

R

EU

Valovitost napona kondenzatora iznosi

C

TTIΔu Vsd

d

2

2.3 Proračun za kontinuirani način rada

Napravit će se proračun pretvarača za dva odabrana izlazna napona Ud(0) i dvije sklopne

frekvencije fs. Pri tome se želi mijenjajući sklopnu frekvenciju promijeniti i način rada iz

KNR-a u DNR. Odabrana su dva izlazna napona zato da se u mjerenjima lakše

uočeeventulane razlike u načinima rada.

U tablici 2.1 dane su vrijednosti konstantnih veličina i parametarskih (promjenljivih) veličina

potrebnih za proračun pretvarača.

Konstantne veličine Parametarske

veličine

E = 12 V Ud1(0) = 16 V

mH5E

L Ud2(0) = 30 V

μF100d

C kHz12,51

sf

Ω419,5Ω470

kΩ3,921

2

1

ddd

d

dRRR

R

R

kHz2,52

sf

Tablica 2.1Zadane vrijednosti za analitički proračun uzlaznog pretvarača

Kao trošilo upotrijebljena su dva otpornikaRd1 i Rd2. Otpornik Rd1dodan je kako bi se postigao

stabilniji rad za vrijeme ekspermentiranja s promjenom otpora trošila Rd2.

19

2.3.1 Proračun za fs1 i Ud1(0)

Radi se najprije proračun za KNR jer je lakši za provjeru. Pri tome koristimo analizu iz

potpoglavlja 2.1.

fs1 = 12,5 kHz, Ud1(0) = 16 V

μs801

1

1 s

sf

T

0,250

0

1

1

1

d

d

U

EUα

mA38,150

0 1

1 d

d

dR

UI

mA50,861

00

1

1

1

α

II d

E

mA4811

1 E

s

EL

TαEΔi

mV7,629

0 111

1 d

sd

dC

TαIΔu

Slika 2.7 Valni oblik struje prigušnice i izlaznog napona u KNR-u

20

2.3.2 Proračunza fs1 i Ud2(0)

Prema istom postupku kao u potpoglavlju 2.3.1 napravljen je proračun za naponUd2(0).

fs1 = 12,5 kHz, Ud2(0) = 30 V

mV33,34

mA2,115

mA8,1780

mA52,710

6,0

μs80

2

2

2

2

2

1

d

E

E

d

s

Δu

Δi

I

I

T

Slika 2.8 Valni oblik struje prigušnice i izlaznog napona u KNR-u

21

2.4 Proračun za diskontinuirani način rada

Smanjenjem sklopne frekvencije produžuje se vrijeme u kojem prigušnicaLE predaje energiju

trošilu Rd pa pretvarač može preći iz KNR u DNR.

2.4.1 Proračun zafs2 i Ud1(0)

Koristimo analizu iz potpoglavlja 2.2.

fs2 = 2,5 kHz, Ud1(0) = 16 V

μs4001

2

2 s

sf

T

Prema [1] vrijedi

0~

00

1uz

1

2

1

R

R

E

U

E

Uddd

Ω943,8

00

~

1

2

1

1uz

E

U

E

U

RR

dd

d

0,163~2

21uz

1

s

E

TR

Lα

mA38,150

0 1

1 d

d

dR

UI

mA50,860~01

1uz

1

dEI

R

EI

μs65,221 sV αTT

μs195,60

01

1

2211

EU

ETTTEUET

d

V

VVdV

mA156,002

2

10

21

21

1

2

21

11

VV

sE

E

s

VV

EETT

TIΔi

T

TTΔiI

mV77,97

0 121

1

d

Vsd

dC

TTIΔu

22

Slika 2.9 Valni oblik struje prigušnice i izlaznog napona u DNR-u

23

2.4.2 Proračun za fs2 i Ud2(0)

Prema istom postupku kao u potpoglavlju 2.4.1 napravljen je proračun za naponUd2(0).

fs2 = 2,5 kHz, Ud2(0) = 30 V

mV9,195

mA6,453

μs1,126

μs2,189

mA8,1780

mA52,710

473,0

Ω9,111~

μs400

2

2

2

1

2

2

2

2uz

2

d

E

V

V

E

d

s

Δu

Δi

T

T

I

I

α

R

T

Slika 2.10 Valni oblik struje prigušnice i izlaznog napona u DNR-u

24

3. Opis pretvarača

3.1 Električna shema

Električna shema pretvarača preuzeta je iz diplomskog rada [3]. U prilozima 1 i 2 dani su

tehnički podaci integriranog sklopa MC34060A i tranzistora BF503.

2V

1R

2R

3R1C

4R

5R2C

7R

6R1P8R

2P

9R

10R11R

12R

3C

EL

dC4C

1V

1dR 2dR

E

MC 34060 A

IC

LR

1

2

3

4

67

5

8

11

10

12

14

13

9

Slika 3.1 Električna shema fizički realiziranog uzlaznog pretvarača

25

3.2 Popis komponenata i objašnjenja funkcija

Komponenta Vrijednost Funkcija

1R MΩ2,7

Podešavanje osjetljivosti povratne veze 2R kΩ3,9

3R kΩ33

4R kΩ4,7 Podešavanje mrtvog vremena

5R Ω390

6R kΩ470 Podešavanje sklopne frekvencije

7R kΩ2,2 Podešavanje sklopne frekvencije

8R Ω470 Namještanje radne točke izlaza integriranog sklopa

9R Ω330 Namještanje struje baze i brzine sklapanja

10R kΩ4,7

Otporničkodjelilo za podešavanje izlaznog napona 11R kΩ10

12R kΩ4,7

1dR kΩ3,9 Trošilo

2dR Ω470 Trošilo

LR 2,1 Predotpornik za mjerenje struje

1P kΩ250 Promjena sklopne frekvencije

2P kΩ25 Promjena izlaznog napona

1C nF47 Podešavanje svojstava povratne veze

2C nF4,7 Podešavanje sklopne frekvencije

3C nF100 Brže uklapanje tranzistora

4C μF470 Smanjenje smetnji izvora

dC μF100 Određuje valovitost izlaznog napona

IC MC34060A Pulsno-širinska modulacija upravljive sklopke

1V TIP121 Upravljiva sklopka

2V BF503 Neupravljiva sklopka

EL mH5 Prigušnica

E V12 Naponski izvor

Tablica 3.1 Popis komponenata i objašnjenja funkcija

26

3.3 Fizička izvedba uzlaznog pretvarača

Slika 3.2 Nacrt vodova u mjerilu 1:1

27

Slika 3.3 Izrađen pretvarač

28

4. Simulacija pretvarača

Uzlazni istosmjerni pretvarač simuliran je u simulacijskom programu Simplorer 7.0 za dva

različita izlazna naponaUd1(0) = 16 V i Ud2(0) = 30 V.

Odstupanja između rezultata dobivenih analitički i simulacijom najviše su posljedica

različitosti u modelima neupravljivog ventila (diode) i otpora zavojnice RL te pretpostavke da

je napon trošila konstantan.

Budući da su mjerenjima ustanovljena ustaljena stanja koja ne odgovaraju analitičkom

proračunu obavljene su simulacije za sve frekvencije na kojima su dani i rezultati mjerenja.

Tako je moguće obaviti usporedbu.

Shema uzlaznog istosmjernog pretvarača koja je korištena za simulaciju nalazi se na slici 4.1.

Slika 4.1 Shema uzlaznog pretvarača

Parametri korišteni u svim simulacijama dani su u tablici 4.1.

Tablica 4.1 Fiksni parametri simulacije

Naziv parametra Opis parametra Vrijednost

Tend Simulirano vrijeme 40 ms

Hmin Najmanji korak integracije 10 μs

Hmax Najveći korak integracije 1 ms

Integration formula Vrsta integracije Trapezoid

LDF Lokalna pogreška diskretizacije 1

Iteratmax Najveći broj iteracija u jednom koraku integracije 40

IEmax Najveća pogreška struje 0,001

VEmax Najveća pogreška napona 0,001

29

4.1 Simulacija za napon Ud1(0)

a) kHz1sf

Slika 4.2 Simulirani valni oblici struje prigušnice i izlaznog naponaUd(0) = 16 V, fs = 1 kHz

Tablica 4.2 Zadane vrijednosti Ud(0) = 16 V, fs = 1 kHz

b) kHz1,5sf

Slika 4.3 Simulirani valni oblici struje prigušnice i izlaznog naponaUd(0) = 16 V, fs = 1,5 kHz

Tablica 4.3 Zadane vrijednosti Ud(0) = 16 V, fs = 1,5 kHz

Faktor vođenja 0,125d

Sklopna frekvencija kHz1sf

Sklopna perioda ms1sT

Faktor vođenja 0,145d

Sklopna frekvencija kHz1,5sf

Sklopna perioda μs667sT

30

c) kHz1,7sf

Slika 4.4 Simulirani valni oblici struje prigušnice i izlaznog naponaUd(0) = 16 V, fs = 1,7 kHz

Tablica 4.4 Zadane vrijednosti Ud(0) = 16 V, fs = 1,7 kHz

d) kHz2,5sf

Slika 4.5 Simulirani valni oblici struje prigušnice i izlaznog naponaUd(0) = 16 V, fs = 2,5 kHz

Tablica 4.5 Zadane vrijednosti Ud(0) = 16 V, fs = 2,5 kHz

Faktor vođenja 0,15d

Sklopna frekvencija kHz1,7sf

Sklopna perioda μs588sT

Faktor vođenja 0,185d

Sklopna frekvencija kHz2,5sf

Sklopna perioda μs400sT

31

e) kHz5,12sf

Slika 4.6Simulirani valni oblici struje prigušnice i izlaznog naponaUd(0) = 16 V, fs = 12,5 kHz

Tablica 4.6 Zadane vrijednosti Ud(0) = 16 V, fs = 12,5 kHz

Faktor vođenja 0,25d

Sklopna frekvencija kHz2,51sf

Sklopna perioda μs80sT

32

4.2 Simulacija za napon Ud2(0)

a) Hz263sf

Slika 4.6 Simulirani valni oblici struje prigušnice i izlaznog naponaUd(0) = 30 V, fs = 263 Hz

Tablica 4.7 Zadane vrijednosti Ud(0) = 30 V, fs = 263 Hz

b) Hz689sf

Slika 4.7 Simulirani valni oblici struje prigušnice i izlaznog naponaUd(0) = 30 V, fs = 689 Hz

Tablica 4.8 Zadane vrijednosti Ud(0) = 30 V, fs = 689 Hz

Faktor vođenja 0,17d

Sklopna frekvencija Hz263sf

Sklopna perioda ms3,8sT

Faktor vođenja 0,273d

Sklopna frekvencija Hz689sf

Sklopna perioda ms1,45sT

33

c) Hz769sf

Slika 4.8 Simulirani valni oblici struje prigušnice i izlaznog naponaUd(0) = 30 V, fs = 769 Hz

Tablica 4.9 Zadane vrijednosti Ud(0) = 30 V, fs = 769 Hz

d) kHz2,5sf

Slika 4.9 Simulirani valni oblici struje prigušnice i izlaznog napona Ud(0) = 30 V, fs = 2,5 kHz

Tablica 4.10 Zadane vrijednosti Ud(0) = 30 V, fs = 2,5 kHz

Faktor vođenja 0,285d

Sklopna frekvencija Hz769sf

Sklopna perioda ms1,30s

T

Faktor vođenja 0,51d

Sklopna frekvencija kHz2,5sf

Sklopna perioda μs400sT

34

e) kHz2,51sf

Slika 4.11Simulirani valni oblici struje prigušnice i izlaznog naponaUd(0) = 30 V, fs = 12,5 kHz

Tablica 4.11 Zadane vrijednosti Ud(0) = 30 V, fs = 12,5 kHz

Faktor vođenja 0,6d

Sklopna frekvencija kHz2,51sf

Sklopna perioda μs80sT

35

5. Mjerenja

Mjerenja su provedena prema uputama iz [3, 4].

Slika 5.1 Radno mjesto u laboratoriju

Popis mjerne opreme:

Digitalni osciloskop RIGOL DS1052D

Analogni osciloskop VOLTCRAFT 630

Digitalni multimetar METEX M-3800

Laboratorijski izvor 0-30 V

Tablica 5.1 Popis mjerne opreme

36

Shema mjernog spoja

2V

1R

2R

3R1C

4R

5R2C

7R

6R1P8R

2P

9R

10R11R

12R

3C

EL

dC4C

1V

1dR 2dR

E

MC 34060 A

IC

CH1

CH2

CH1

CH2

V

Osciloskop

Osciloskop

LR

2

3

4

67

5

1

8

11

10

12

14

9

13

Slika 5.2 Shema mjernog spoja

37

5.1 Mjerenja za napon Ud1(0)

Ud1(0) = 16 V

a)fs = 1 kHz, Ts = 1 ms

Slika 5.3Izmjereni valni oblici struje prigušnice i izlaznog napona za Ud(0) = 16 V, fs = 1 kHz

Iz prikazanih valnih oblika ne može se odrediti perioda. Zaključujemo da je sklop u

kaotičnom ustaljenom stanju.

5ms/DIV

200mA/DIV

5ms/DIV

2V/DIV

38

b) fs = 1,5 kHz, Ts = 667 μs

Slika 5.4Izmjereni valni oblici struje prigušnice i izlaznog napona za Ud(0) = 16 V, fs = 1,5 kHz

Iz prikazanih valnih oblika ne može se odrediti perioda. Zaključujemo da je sklop u

kaotičnom ustaljenom stanju, no drugačijem nego nasklopnoj frekvenciji 1 kHz.

2ms/DIV

100mA/DIV

2ms/DIV

500mV/DIV

39

c) fs = 1,7 kHz, Ts = 588 μs

Slika 5.5Izmjereni valni oblici struje prigušnice i izlaznog napona za Ud(0) = 16 V, fs = 1,7 kHz

Iz prikazanih valnih oblika ne može se odrediti perioda. Zaključujemo da je sklop u

kaotičnom ustaljenom stanju, no drugačijem nego nasklopnim frekvencijama 1 kHz i 1,5 kHz.

1ms/DIV

100mA/DIV

1ms/DIV

500mV/DIV

40

d) fs = 2,5 kHz, Ts = 400 μs

Slika 5.6Izmjereni valni oblici struje prigušnice i izlaznog napona za Ud(0) = 16 V, fs = 2,5 kHz

Iz prikazanih valnih oblika može se odrediti perioda i njeno je trajanje jednako sklopnoj

periodi. Zaključujemo da je sklop ustaljenom stanju osnovne periode i u diskontinuiranom

načinu rada.

0,1ms/DIV

50mA/DIV

0,1ms/DIV

0,1V/DIV

41

e) fs = 12,5 kHz, Ts =80 μs

Slika 5.7Izmjereni valni oblici struje prigušnice i izlaznog napona za Ud(0) = 16 V, fs = 12,5 kHz

Iz prikazanih valnih oblika može se odrediti perioda i njeno je trajanje jednako sklopnoj

periodi. Zaključujemo da je sklop u ustaljenom stanju osnovne periode i u kontinuiranom

načinu rada.

20µs/DIV

50mA/DIV

20µs/DIV

50mV/DIV

42

5.2 Mjerenja za napon Ud2(0)

Ud2(0) = 30 V

a) fs = 263 Hz, Ts = 3,80 ms

Slika 5.8Izmjereni valni oblici struje prigušnice i izlaznog napona za Ud(0) = 30 V, fs = 263 Hz

Iz prikazanih valnih oblika ne može se odrediti perioda. Zaključujemo da je sklop u

kaotičnom ustaljenom stanju, no opet drugačijem od svih ostalih kaotičnih ustaljenih stanja.

10ms/DIV

1A/DIV

10ms/DIV

5V/DIV

43

b) fs = 689 Hz, Ts =1,45 ms

Slika 5.9Izmjereni valni oblici struje prigušnice i izlaznog napona za Ud(0) = 30 V, fs = 689 Hz

Iz prikazanih valnih oblika može se odrediti perioda i njeno je trajanje dvostruko duže od

trajanja sklopne periodi. Zaključujemo da je sklop u ustaljenom stanju dvostruke periode.

1ms/DIV

500mA/DIV

1ms/DIV

1V/DIV

44

c) fs = 769 Hz, Ts =1,30 ms

Slika 5.10Izmjereni valni oblici struje prigušnice i izlaznog napona za Ud(0) = 30 V, fs = 769 Hz

Iz prikazanih valnih oblika može se odrediti perioda i njeno je trajanje jednako sklopnoj

periodi. Zaključujemo da je sklop u ustaljenom stanju osnovne periode i u kontinuiranom

načinu rada.

1ms/DIV

500mA/DIV

1ms/DIV

500mV/DIV

45

d) fs = 2,5 kHz, Ts = 400 μs

Slika 5.11Izmjereni valni oblici struje prigušnice i izlaznog napona za Ud(0) = 30 V, fs = 2,5 kHz

Iz prikazanih valnih oblika može se odrediti perioda i njeno je trajanje jednako sklopnoj

periodi. Zaključujemo da je sklop u ustaljenom stanju osnovne periode i u diskontinuiranom

načinu rada.

0,2ms/DIV

0,2A/DIV

0,2ms/DIV

0,1V/DIV

46

e) fs = 12,5 kHz, Ts= 80 μs

Slika 5.12Izmjereni valni oblici struje prigušnice i izlaznog napona za Ud(0) = 30 V, fs = 12,5 kHz

Iz prikazanih valnih oblika može se odrediti perioda i njeno je trajanje jednako sklopnoj

periodi. Zaključujemo da je sklop u ustaljenom stanju osnovne periode i u kontinuiranom

načinu rada.

20µs/DIV

0,2A/DIV

20µs/DIV

0,1V/DIV

47

6. Komentar

Uzlazni istosmjerni pretvarač može preći iz diskontinuiranog načina rada u kontinuirani način

rada i obratno ukoliko mijenjamo samo sklopnu frekvenciju.

Mjerenja su napravljena za dva različita izlazna napona Ud1(0) = 16 V i Ud2(0) = 30 V i za

nekoliko sklopnih frekvencija.

Mjerenja su rađena na frekvencijama, nižim i višim od frekvencija na kojima je rađena analiza

pretvarača kako bi se pokazali neočekivani i neobični režimi rada koji su uočeni prilikom

mjerenja.

Pri izlaznom naponu Ud1(0) = 16 V na sklopnim frekvencijama 1 kHz, 1,5 kHz,1,7 kHz

dobivena su kaotična ustaljena stanja, protivno predviđanjima analitičkog proračuna.

Pri izlaznom naponu Ud2(0) = 30 V na sklopnoj frekvenciji 263 Hz, dobiveno je kaotično

ustaljeno stanje, a na sklopnoj frekvenciji 689 Hz dobiveno je ustaljeno stanje preiode

dvostruko duže od sklopne periode, oboje protivno predviđanjima analitičkog proračuna.

Najniža sklopna frekvencija pri izlaznom naponu od Ud1(0) = 16 V je 1 kHz. Ako se

smanjujefrekvencija ispod 1 kHz, ulazni napon postaje nestabilan i smanji se za 0,5-1 V, a

izlazni napon poraste na 18-19 V.

Najniža sklopna frekvencija pri izlaznom naponu od Ud2(0) = 30 V je 250 Hz. Ako se

smanjuje frekvencija ispod 250 Hz, javlja se strujno ograničenje izvora ulaznog napona E od

iLE = 2 A. Uz to, otpornik RL = 1,2 Ω, koji se nalazi u seriji s prigušnicom, jako se grije i može

se dogoditi da pregori.

Dok uzlazni pretvarač radi pri sklopnoj frekvenciji 12,5 kHz i izlaznom naponu

Ud1(0) = 16 V, događa se to da napon na kondenzatoru pada i za vrijeme kada se prigušnica

prazni. Razlog tome je taj što se trošilu treba osigurati konstantna struja iznosa Id(0), a budući

da prigušnica ne daje dovoljan iznos struje, kondenzator se prazni i predaje energiju trošilu

kako bi se osigurala potrebna struja.

Rezultati dobiveni mjerenjima značajno odstupaju od rezultata dobivenih analitički.

Razjašnjavanje nekih uzroka bit će predmet budućih istraživanja

48

7. Zaključak

Mjerenja su pokazala da se na raznim frekvencijama pojavljuju prema analitičkom proračunu

i simulaciji neočekivanaustaljena stanja.To je posljedica prevelike jednostavnosti modela

upotrijebljenih u analitičkom proračunu i simulaciji. Ti modeli su najjednostavniji uobičajeni

modeli korišteni i u nastavi na svim studijima elektrotehnike.

Usporedbom rezultata analitičkog proračuna, simulacije i mjerenja, zaključujemo da analitički

proračun i simulacija ne dajumjerenjem dobivena ustaljena stanja te da nam ne mogu poslužiti

za analizu rada uzlaznog pretvarača u nekim vrstama ustaljenih stanja.

Napravljeni uzlazni istosmjerni pretvarač koristit će se za pokazne laboratorijske vježbe i kao

osnova za druge buduće završne i diplomske radove.

U idućim radovima nastojat će de detaljnije proučiti ustaljena stanja pretvarača koja se ne

mogu dobiti analitički i simulacijom. To će se raditi detaljnijim mjerenjima na fizičkoj

izvedbi pretvarača te s pomoću simulacijskog programa posebno napisanog za analizu ovog

uzlaznog pretvarača.

49

8. Literatura

Citirana literatura:

[1] Flegar, Ivan: Elektronički energetski pretvarači, Kigen, Zagreb, 2010, 601

[2] Erickson, Robert W. Maksimović, Dragan: Fundamentals of Power Electronics,

Universityof Colorado Boulder, 2001, 912

[3] Škoro, Vladimir: Ustaljena stanja istosmjernog uzlaznog pretvarača,Elektrotehnički

fakultet Osijek, Osijek, 2004, Diplomski rad,29

[4] Pelin, Denis, Flegar, Ivan, Miličević, Kruno: Identifikacija ustaljenih stanja

istosmjernoguzlaznog pretvarača, Tehnički vjesnik, Zagreb, 2009, 16, 2, 9-15

Korištena literatura

Flegar, Ivan: Teorija mreža: Bilješke s predavanja, Elektrotehnički fakultet Osijek, Osijek,

2001, 145

Butković, Željko, PukšecDivković, Julijana, Barić, Adrijan: Elektronika 1, FER, Zagreb,

2006, Interna skripta

50

Prilog 1

Tehnički podaci integriranog sklopa MC34060

51

52

53

54

55

56

57

58

59

60

61

62

63

Prilog 2

Tehnički podaci tranzistora TIP121

64

65