Power Conversion Circuits

Fundamentals of Power Electronics - Basic AC-DC Converter Using Four Diodes (Juni 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Power Conversion Circuits

Diskrete halvleder enheder og kredsløb


Spørgsmål 1

Lad ikke bare sidde der! Byg noget !!

At lære at matematisk analysere kredsløb kræver meget undersøgelse og praksis. Normalt praktiserer eleverne ved at arbejde igennem masser af prøveproblemer og kontrollere deres svar mod dem fra lærebogen eller instruktøren. Mens dette er godt, er der en meget bedre måde.

Du vil lære meget mere ved faktisk at opbygge og analysere rigtige kredsløb, så din testudstyr giver svarene "i stedet for en bog eller en anden person. Følg disse trin for succesfulde øvelser i kredsløbsopbygning:

  1. Mål og registrer omhyggeligt alle komponentværdier forud for kredsløbskonstruktionen, og vælg modstandsværdier, der er høje nok til at skade eventuelle aktive komponenter usandsynligt.
  2. Tegn skematisk diagram for kredsløbet, der skal analyseres.
  3. Opbyg forsigtigt dette kredsløb på et brødbræt eller andet passende medium.
  4. Kontroller nøjagtigheden af ​​kredsløbets konstruktion, efter hver ledning til hvert forbindelsessted, og kontroller disse elementer en for en på diagrammet.
  5. Matematisk analysere kredsløbet, løse for alle spændings- og strømværdier.
  6. Mål forsigtigt alle spændinger og strømme for at kontrollere nøjagtigheden af ​​din analyse.
  7. Hvis der er væsentlige fejl (mere end et par procent), skal du kontrollere dit kredsløbs konstruktion grundigt på diagrammet, og genkalder derefter værdierne og genmåles omhyggeligt.

Når elever først lærer om halvlederindretninger, og som mest sandsynligt vil beskadige dem ved at foretage ukorrekte forbindelser i deres kredsløb, anbefaler jeg, at de eksperimenterer med store komponenter med høj wattage (1N4001 rectifying dioder, TO-220 eller TO-3-tilfælde strømtransistorer, osv.), og ved brug af tørcelle batterikilder snarere end en strømforsyning. Dette mindsker sandsynligheden for komponentskader.

Som sædvanlig, undgå meget høje og meget lave modstand værdier for at undgå målefejl forårsaget af meter "loading" (i den høje ende) og for at undgå transistor udbrænding (i den lave ende). Jeg anbefaler modstande mellem 1 kΩ og 100 kΩ.

En måde du kan spare tid på og reducere muligheden for fejl er at begynde med et meget simpelt kredsløb og trinvis tilføje komponenter for at øge dens kompleksitet efter hver analyse, i stedet for at opbygge et helt nyt kredsløb for hvert øvelsesproblem. En anden tidsbesparende teknik er at genbruge de samme komponenter i en række forskellige kredsløbskonfigurationer. På den måde må du ikke måle en komponents værdi mere end én gang.

Reveal svar Skjul svar

Lad elektronerne selv give dig svarene på dine egne "praksisproblemer"!

Bemærkninger:

Det har været min erfaring, at eleverne kræver meget praksis med kredsløbsanalyse at blive dygtige. Til dette formål giver instruktører normalt deres elever mange øvelsesproblemer til at arbejde igennem og giver svar til, at eleverne tjekker deres arbejde imod. Mens denne tilgang gør eleverne dygtige i kredsløbsteori, undlader det at uddanne dem fuldt ud.

Studerende behøver ikke bare matematisk praksis. De har også brug for rigtige, praktisk praktiske bygningskredsløb og brug af testudstyr. Så jeg foreslår følgende alternative tilgang: eleverne skal bygge deres egne "praksisproblemer" med virkelige komponenter og forsøge at matematisk forudsige forskellige spændings- og aktuelle værdier. På den måde kommer den matematiske teori "levende", og de studerende får praktisk færdighed, de ikke ville vinde ved blot at løse ligninger.

En anden grund til at følge denne fremgangsmåde er at lære eleverne videnskabelig metode : processen med at teste en hypotese (i dette tilfælde matematiske forudsigelser) ved at udføre et rigtigt eksperiment. Studerende vil også udvikle rigtige fejlfindingskompetencer, da de lejlighedsvis laver kredsløbsbyggeri fejl.

Tilbring et par øjeblikke med din klasse for at gennemgå nogle af de "regler" for bygningskredsløb, før de begynder. Diskuter disse spørgsmål med dine elever på samme socratiske måde, som du normalt vil diskutere arbejdsarkets spørgsmål, snarere end blot at fortælle dem, hvad de burde og ikke burde gøre. Jeg ophører aldrig med at blive overrasket over, hvor dårlige eleverne får fat i instruktioner, når de præsenteres i et typisk foredrag (instruktørmonolog) format!

En note til de instruktører, der kan klage over den "spildte" tid, der kræves for at få eleverne til at opbygge virkelige kredsløb i stedet for bare at matematisk analysere teoretiske kredsløb:

Hvad er formålet med eleverne, der tager dit kursus? Panelarkontrolpanelets standardpanel?

Spørgsmål 2

Beskriv, hvad en dynamotor er, og hvad dens formål kan være i et elektrisk system.

Reveal svar Skjul svar

En dynamotor er en speciel type elektromekanisk maskine beregnet til at omdanne en form for elektrisk strøm til en anden ved hjælp af et fælles magnetfelt og roterende element.

Bemærkninger:

Svaret her er med vilje vagt, da jeg vil have eleverne til at undersøge detaljerne selv.

Spørgsmål 3

Hvad er et DC-DC konverter kredsløb, og hvilke applikationer kan et sådant kredsløb bruges til?

Reveal svar Skjul svar

En "DC-DC-konverter" er et kredsløb, der transformerer en DC-spænding enten op eller ned, generelt med en invers transformation i strømmen. Applikationer omfatter levering af DC-strøm til at indlæse enheder, hvor hovedstrømkilden er DC, men af ​​den forkerte spænding.

Bemærkninger:

I mange tilfælde finder DC-DC-omformere anvendelse i store systemer, der ikke er designet godt (dvs. med korrekte DC-spændinger, der leveres af et fælles AC-DC-kredsløb). Omformerskredsløb har dog mere legitime anvendelser, herunder applikationer, hvor der kræves isolation mellem to DC-kredsløb. Spørg dine elever om, hvad "elektrisk isolering" er noget, hvorfor det kan være vigtigt.

Spørgsmål 4

Dette kredsløb bruger en 8038 bølgeformgenerator IC (integreret kredsløb) til at producere en "sawtooth" bølgeform, som derefter sammenlignes med en variabel DC spænding fra et potentiometer:

Resultatet er en pulsbølgeform til bunden af ​​effekttransistoren, med samme frekvens som savtandsbølgeformen. Normalt i kredsløb som dette er frekvensen mindst flere hundrede Hertz.

Forklar, hvad der sker med lampens lysstyrke, når potentiometerens visker bevæger sig tættere på + V, og når den bevæges tættere på jorden.

Reveal svar Skjul svar

Lampen lyser lysere, da pulsbølgeformens arbejdscyklus øges, og visum-versa.

Bemærkninger:

Dette spørgsmål er en god gennemgang af komparatoroperationen, og det introducerer begrebet arbejdscyklus, hvis dine elever ikke har stødt på det før. Bed dine elever om at forklare, hvordan og hvorfor arbejdscyklussen ændres, når potentiometerens visker bevæger sig. Bed dem om at forklare, hvorfor lampens lysstyrke ændres med arbejdscyklus, og om dette er en effektiv metode til strømstyring eller ej.

Spørgsmål 5

Dette kredsløb genererer en puls af jævnspænding, der er tilstrækkelig til at aktivere neonlampen, hver gang bryderen åbnes:

Beskriv driftsprincippet for dette simple kredsløb, og også hvordan det kan ændres til at producere kontinuerlig højspændings- DC-effekt.

Hint: Hvordan konverterer et fælles AC-DC strømforsyningskredsløb pulser af korrigeret DC til en relativt "jævn" DC-udgang "# 5"> Reveal svar Skjul svar

Opfølgningsspørgsmål: Hvordan vil du anbefale, at vi "automatiserer" dette kredsløb, så en person ikke behøver at trykke og frigive kontakten for at generere en kontinuerlig DC udgangsspænding "noter skjult"> Noter:

Bed dine elever om at forklare deres løsninger til "automatisering" af switchens handling. Forbered dig på nogle kreative svar!

Spørgsmål 6

Det skematiske diagram, der er vist her, er et "buck" -konverterkreds, en type DC-DC "switching" -kredsløbskredsløb:

I dette kredsløb er transistoren enten helt på eller helt slukket; det er drevet mellem ekstremerne af mætning eller cutoff. Ved at undgå transistorens "aktive" tilstand (hvor det ville falde betydelige spændinger, mens strømmen udføres), kan der opnås meget lave transistor-strømfordeling. Med lidt strøm spildt i form af varme, er "omskiftning" strømkredsløbskredsløb typisk meget effektive.

Spor alle aktuelle retninger under begge tilstande af transistoren. Marker også induktorens spændingspolaritet under begge tilstande af transistoren.

Reveal svar Skjul svar

Opfølgningsspørgsmål: Hvordan vedrører denne spændings spændingsspænding til spændingsforsyningen (batterispænding) // // www.allaboutcircuits.com/textbook/semiconductors/chpt-3/special-purpose-diodes/">Schottky diode bruges i dette kredsløb, i modsætning til en regelmæssig (PN) ensretterdiode?

Bemærkninger:

Spørg dine elever, hvorfor de tror, ​​at dette kredsløb hedder en buck- konverter. "Buck" refererer normalt til noget, der er i opposition. Hvad står der imod i dette kredsløb?

Spørgsmål 7

Det skematiske diagram, der er vist her, er et "boost" -konverterkreds, en type DC-DC "switching" -kredsløbskredsløb:

I dette kredsløb er transistoren enten helt på eller helt slukket; det er drevet mellem ekstremerne af mætning eller cutoff. Ved at undgå transistorens "aktive" tilstand (hvor det ville falde betydelige spændinger, mens strømmen udføres), kan der opnås meget lave transistor-strømfordeling. Med lidt strøm spildt i form af varme, er "omskiftning" strømkredsløbskredsløb typisk meget effektive.

Spor alle aktuelle retninger under begge tilstande af transistoren. Marker også induktorens spændingspolaritet under begge tilstande af transistoren.

Reveal svar Skjul svar

Opfølgningsspørgsmål: Hvordan vedrører denne spændings spændingsspænding til strømforsyningen (batteri) spænding "noter skjult"> Bemærkninger:

Spørg dine elever, hvorfor de tror, ​​at dette kredsløb kaldes en boost- konverter. "Boost" refererer normalt til noget der hjælper med noget andet. Hvad er der hjulpet i dette kredsløb?

Spørgsmål 8

Det skematiske diagram, der er vist her, er et "omvendt" konverterkreds, en type DC-DC "switching" -omformningskreds:

I dette kredsløb er transistoren enten helt på eller helt slukket; det er drevet mellem ekstremerne af mætning eller cutoff. Ved at undgå transistorens "aktive" tilstand (hvor det ville falde betydelige spændinger, mens strømmen udføres), kan der opnås meget lave transistor-strømfordeling. Med lidt strøm spildt i form af varme, er omskiftning af "power conversion circuits" typisk meget effektive.

Spor alle aktuelle retninger under begge tilstande af transistoren. Marker også induktorens spændingspolaritet under begge tilstande af transistoren.

Reveal svar Skjul svar

Bemærkninger:

Spørg dine elever, hvorfor de mener, at dette kredsløb kaldes en omvendt konverter.

Selv om det måske ikke er tydeligt at se kredsløbsdiagrammet, kan dette konverterkreds hæve spændingen op eller ned, hvilket gør den ret alsidig.

Spørgsmål 9

Det skematiske diagram, der er vist her, er beregnet til et "Cuk" konverter kredsløb, en type DC-DC "switching"

I dette kredsløb er transistoren enten helt på eller helt slukket; det er drevet mellem ekstremerne af mætning eller cutoff. Ved at undgå transistorens "aktive" tilstand (hvor det ville falde betydelige spændinger, mens strømmen udføres), kan der opnås meget lave transistor-strømfordeling. Med lidt strøm spildt i form af varme, er "omskiftning" strømkredsløbskredsløb typisk meget effektive.

Spor alle aktuelle retninger under begge tilstande af transistoren. Marker begge inductors 'spændingspolariteter under begge tilstande af transistoren.

Reveal svar Skjul svar

Opfølgningsspørgsmål: Hvordan vedrører denne spændings spændingsspænding til strømforsyningen (batteri) spænding "noter skjult"> Bemærkninger:

Det "mærkelige" navn på dette kredsløb kommer fra efternavnet på ingeniøren, der opfandt det! For mere information, se Rudy Severns skrifter om det generelle emne for switch-mode strømkonverteringskredsløb.

Spørgsmål 10

Forudsig, hvordan driften af ​​dette buck konverter kredsløb vil blive påvirket som følge af følgende fejl. Overvej hver fejl uafhængigt (dvs. en ad gangen, ingen flere fejl):

Drevkredsløbet fejler med et konstant "lav" (0 volt) udgangssignal:
Drevkredsløbet fejler med et konstant "høj" (+ V) udgangssignal:
Diode fejler kortsluttet:
Induktoren fejler åben:
Kondensator mislykkes kortsluttet:

For hver af disse betingelser, forklar hvorfor de resulterende virkninger vil forekomme.

Reveal svar Skjul svar

Drevkredsløbet fejler med et konstant udgangssignal (0 volt): Udgangsspændingen falder til nul efter kondensatorudladninger.
Drevkredsløbet fejler med et konstant "høj" (+ V) udgangssignal: Udgangsspændingen stiger til at være omtrent lig med V in .
Dioden fejler kortslutning: Udgangsspændingen falder til nul, da transistor fejler på grund af overophedning.
Induktoren fejler åben: Udgangsspændingen falder til nul efter kondensatorudladninger.
Kondensatoren fejler kortslutning: Udgangsspændingen falder øjeblikkeligt til nul.

Bemærkninger:

Formålet med dette spørgsmål er at nærme sig domænet for kredsløbsfejlfinding ud fra et perspektiv om at vide, hvad fejlen er, snarere end kun at vide, hvad symptomerne er. Selvom dette ikke nødvendigvis er et realistisk perspektiv, hjælper det eleverne med at opbygge den grundlæggende viden, der er nødvendig for at diagnosticere et fejlet kredsløb fra empiriske data. Spørgsmål som dette skal følges (til sidst) af andre spørgsmål, der beder eleverne om at identificere sandsynlige fejl baseret på målinger.

Spørgsmål 11

Forudsig, hvordan driften af ​​dette boost konverter kredsløb vil blive påvirket som følge af de følgende fejl. Overvej hver fejl uafhængigt (dvs. en ad gangen, ingen flere fejl):

Drevkredsløbet fejler med et konstant "lav" (0 volt) udgangssignal:
Drevkredsløbet fejler med et konstant "høj" (+ V) udgangssignal:
Diode fejler kortsluttet:
Induktoren fejler åben:
Kondensator mislykkes kortsluttet:

For hver af disse betingelser, forklar hvorfor de resulterende virkninger vil forekomme.

Reveal svar Skjul svar

Drevkredsløbet fejler med et konstant udgangssignal (0 volt): Udgangsspændingen stiger til at være omtrent lig med V in .
Drevkredsløbet fejler med et konstant "høj" (+ V) udgangssignal: Udgangsspændingen falder til nul efter kondensatorudladninger.
Dioden mislykkes kortsluttet: Udgangsspændingen udviser meget stor "ripple", da spændingen gentagne gange falder til nul og spikes sikkerhedskopierer hver drevcyklus, kan transistoren mislykkes på grund af overophedning.
Induktoren fejler åben: Udgangsspændingen falder til nul efter kondensatorudladninger.
Kondensatoren fejler kortslutning: Udgangsspændingen falder øjeblikkeligt til nul.

Bemærkninger:

Formålet med dette spørgsmål er at nærme sig domænet for kredsløbsfejlfinding ud fra et perspektiv om at vide, hvad fejlen er, snarere end kun at vide, hvad symptomerne er. Selvom dette ikke nødvendigvis er et realistisk perspektiv, hjælper det eleverne med at opbygge den grundlæggende viden, der er nødvendig for at diagnosticere et fejlet kredsløb fra empiriske data. Spørgsmål som dette skal følges (til sidst) af andre spørgsmål, der beder eleverne om at identificere sandsynlige fejl baseret på målinger.

Spørgsmål 12

Såkaldte lineære regulator kredsløb virker ved at justere enten en serie modstand eller en shunt modstand for at opretholde udgangsspænding til en vis fraktioneret værdi af indgangsspænding:

Typisk er disse variable modstande tilvejebragt af transistorer snarere end egentlige reostater, som skal styres manuelt.

Forklar, hvorfor et skifte regulator kredsløb ville udføre samme opgave som et lineært regulator kredsløb med en langt større effektivitet. Også identificere hvilken type (r) af omskifter regulator kredsløb ville være bedst egnet til opgaven at reducere en indgangsspænding til en mindre udgangsspænding.

Reveal svar Skjul svar

En buck regulator kredsløb fungerer på næsten samme måde som en transformer: trin spænding nede, mens stepping strømmen op. Ideelt set skifter regulator kredsløb nul energi, i modsætning til (resistive) lineære regulator kredsløb.

Opfølgningsspørgsmål: Hvilken type lineær regulator kredsløb tilhører den traditionelle zener diode spændingsregulator, serie eller shunt "noter skjult"> Noter:

I processen med at analysere omstillingsregulatorfunktionalitet er det let for eleverne at overse formålet med hvorfor de eksisterer overhovedet. Diskuter vigtigheden af ​​effektomformingseffektivitet, især til elektroniske applikationer, der er batteridrevne.

Et vigtigt punkt at understrege i dette spørgsmål er, at de fleste af de skiftende "regulator" kredsløb først viste at eleverne ikke er egentlige regulatorer, men kun omdannere . Et omskifteromformerkredsløb bliver ikke til regulator kredsløb, før en feedback kontrol er tilføjet. Sådanne kontroller er normalt for komplekse til at introducere i begyndelsen, så de udelades typisk for enkelhedens skyld. Men eleverne skal indse forskellen mellem et skifte regulator kredsløb og et enkelt skifte konverter kredsløb, så de ikke tror, ​​at konverteren er i stand til mere end den er.

Spørgsmål 13

Vist her er to spændingsreducerende kredsløb: både reducerer en forsyningsspænding på 13, 5 volt ned til 5 volt for en belastning.

Beregn den gennemsnitlige strømforsyning (jeg forsyner ) for begge disse kredsløb. Antag, at koblingskredsløbet har ubetydelige strømtab i transistoren, induktoren, kondensatoren og dioden. Hvis 13, 5 volt-kilden var et elektrokemisk batteri, hvilket batteri ville vare længere, med samme belastning "# 13"> Reveal svar Skjul svar

Batteriet, der leverer det lineære kredsløb, skal have 240 mA, mens batteriet, der leverer omskifteren, kun må have en gennemsnitlig strøm på 88, 9 mA.

Opfølgningsspørgsmål: Beregn effektiviteten af ​​det lineære kredsløb og kommentere hvorfor det er så forskelligt fra koblingskredsløbet.

Bemærkninger:

Forklar til dine elever at bytte strømkredsløbskredsløb er meget effektive: typisk 85 til 95 procent! Det bør være ret klart, hvilket batteri vil vare længere, og hvorfor. Det er netop derfor, at switching regulator kredsløb (DC-DC konvertere med et feedback netværk for at stabilisere udgangsspænding) anvendes i stedet for lineære regulering kredsløb (zener diode baseret) i mange batteridrevne elektroniske applikationer.

I det væsentlige virker omskifteromformerkredsløb som DC-transformatorer, der kan træde spænding ned (eller op), med nuværende omvendt proportionelle. Selvfølgelig holder loven om energibesparelse sig til at skifte kredsløb lige som det gør for transformere, og eleverne kan finde denne lov den nemmeste måde at udføre forsynings- / belastningsstrømberegninger, der kender til forsynings- og belastningsspændingerne:

P ud ≈ P i

V i jeg i ≈ V ud jeg ud

Hvis tiden tillader det, vil du måske vise dine elever et dataark for en strømomformerkontroller, der viser dem, hvordan integrerede kredsløb eksisterer for præcist at styre omskiftningen af ​​MOSFET'er til strømkredsløbskredsløb lige her.

Spørgsmål 14

Udgangsspændingen for et buck-omformerkredsløb er en funktion af indgangsspændingen og driftscyklus for koblingssignalet, repræsenteret af variablen D (i værdi fra 0% til 100%), hvor D = ((t ) / (t + t off )):

Baseret på dette matematiske forhold beregnes udgangsspændingen for dette konverterkredsløb ved disse arbejdscykler, idet der antages en indgangsspænding på 40 volt:

D = 0%; V ud =
D = 25%; V ud =
D = 50%; V ud =
D = 75%; V ud =
D = 100%; V ud =
Reveal svar Skjul svar

D = 0%; V ud = 0 volt
D = 25%; V ud = 10 volt
D = 50%; V ud = 20 volt
D = 75%; V ud = 30 volt
D = 100%; V ud = 40 volt

Bemærkninger:

Beregningerne for dette kredsløb skal være meget ligetil.

Bemærk at koblingselementet i skematisk diagram er vist i generisk form. Det ville aldrig være en mekanisk switch, men snarere en transistor af en slags.

Spørgsmål 15

Udgangsspændingen for et boost konverter kredsløb er en funktion af indgangsspændingen og arbejdscyklus for koblingssignalet, repræsenteret ved variablen D (i værdi fra 0% til 100%), hvor D = ((t ) / (t + t off )):

Baseret på dette matematiske forhold beregnes udgangsspændingen for dette konverterkredsløb ved disse arbejdscykler, idet der antages en indgangsspænding på 40 volt:

D = 0%; V ud =
D = 25%; V ud =
D = 50%; V ud =
D = 75%; V ud =
D = 100%; V ud =
Reveal svar Skjul svar

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

Bemærkninger:

Beregningerne for dette kredsløb skal være ligefrem, bortset fra den sidste beregning med en arbejdscyklus på D = 100%. Her skal eleverne se nærmere på kredsløbet og ikke blot følge formlen blindt.

Bemærk at koblingselementet i skematisk diagram er vist i generisk form. Det ville aldrig være en mekanisk switch, men snarere en transistor af en slags.

Spørgsmål 16

Udgangsspændingen i et omvendt konverterkreds er en funktion af indgangsspændingen og driftscyklus for koblingssignalet, repræsenteret ved variablen D (i værdi fra 0% til 100%), hvor D = ((t ) / (t + t off )):

Baseret på dette matematiske forhold beregnes udgangsspændingen for dette konverterkredsløb ved disse arbejdscykler, idet der antages en indgangsspænding på 40 volt:

D = 0%; V ud =
D = 25%; V ud =
D = 50%; V ud =
D = 75%; V ud =
D = 100%; V ud =
Reveal svar Skjul svar

D = 0%; V ud = 0 volt
D = 25%; V ud = 13, 3 volt
D = 50%; V ud = 40 volt
D = 75%; V ud = 120 volt
D = 100%; V ud = 0 volt

Bemærkninger:

Beregningerne for dette kredsløb skal være ligefrem, bortset fra den sidste beregning med en arbejdscyklus på D = 100%. Her skal eleverne se nærmere på kredsløbet og ikke blot følge formlen blindt.

Bemærk at koblingselementet i skematisk diagram er vist i generisk form. Det ville aldrig være en mekanisk switch, men snarere en transistor af en slags.

Spørgsmål 17

Udgangsspændingen fra et Cuk-konverter kredsløb (opkaldt efter den ingeniør, der opfandt det) er en funktion af indgangsspændingen og arbejdscyklus for koblingssignalet, repræsenteret af variablen D (i værdi fra 0% til 100%), hvor D = ((t ) / (t + t fra )):

Baseret på dette matematiske forhold beregnes udgangsspændingen af ​​dette konverterkredsløb ved disse arbejdscykler, idet der antages en indgangsspænding på 25 volt:

D = 0%; V ud =
D = 25%; V ud =
D = 50%; V ud =
D = 75%; V ud =
D = 100%; V ud =
Reveal svar Skjul svar

D = 0%; V ud = 0 volt
D = 25%; V ud = 8, 33 volt
D = 50%; V ud = 25 volt
D = 75%; V ud = 75 volt
D = 100%; V ud = 0 volt

Bemærkninger:

Beregningerne for dette kredsløb skal være ligefrem, bortset fra den sidste beregning med en arbejdscyklus på D = 100%. Her skal eleverne se nærmere på kredsløbet og ikke blot følge formlen blindt.

Bemærk at koblingselementet i skematisk diagram er vist i generisk form. Det ville aldrig være en mekanisk switch, men snarere en transistor af en slags.

Astute studerende vil bemærke, at der ikke er nogen forskel mellem standard inverterende konverter kredsløb og Cuk design, hvad angår udgangsspænding beregninger. Dette betyder dog ikke, at de to kredsløb er ens på alle måder! En bestemt fordel ved Cuk-konverteren over standard-inverteringsomformeren er, at Cuk's indgangsstrøm aldrig går til nul under switchens "off" -cyklus. Dette gør Cuk-kredsløbet til en "roligere" belastning set fra strømkilden. Både omvendte og buck konverter kredsløb skaber meget elektrisk støj på forsyningssiden, hvis deres indgange er ufiltreret!

Spørgsmål 18

Følgende ligninger løser for udgangsspændingen af ​​forskellige omskifteromformerkredsløb (losset), givet switchens driftscyklus D og indgangsspændingen:

V ud = DV i (Buck konverter kredsløb)

V ud = V in


1 - D

(Boost konverter kredsløb)

V ud = DV i


1 - D

(Omvendt eller Cuk konverter kredsløb)

Manipulere hver af disse ligninger for at løse for arbejdscyklus (D) med hensyn til indgangsspænding (V in ) og ønsket udgangsspænding (V ud ). Husk at arbejdscyklus altid er en mængde mellem 0 og 1 inklusive.

Reveal svar Skjul svar

D = V ud


V in

(Buck konverter kredsløb)

D = 1 -  V in


V ud

 ⎠ (Boost konverter kredsløb)

D = V ud


V i + V ud

(Omvendt eller Cuk konverter kredsløb)

Bemærkninger:

I betragtning af ligningerne for disse konverterkredittyper, der løser for udgangsspænding i form af indgangsspænding og arbejdscyklus D, er dette spørgsmål ikke mere end en øvelse i algebraisk manipulation.

Bemærk til dine elever, at alle disse ligninger antager en tilstand af nulbelastning på konverterkredsløbet. Når belastninger er til stede, vil outputspændingen naturligvis ikke være den samme som det, der forudsiges af disse pæne, enkle formler. Selvom disse DC-DC-omformerskredsløb almindeligvis betegnes som "regulatorer", er det noget vildledende at gøre det, fordi det fejlagtigt indebærer en kapacitet til selvkorrektion af udgangsspænding. Kun når det er koblet til et feedbackstyringsnetværk, er et hvilket som helst af disse konverterkredse i stand til faktisk at regulere udgangsspændingen til en indstillet værdi.

Spørgsmål 19

Mange omskiftere konverter kredsløb bruger en switched MOSFET i stedet for en free-wheeling diode, som dette:

Dioden er en simpel løsning til at give induktoren en vej til strøm, når hovedafbryder transistoren er slukket. Hvorfor skulle nogen bruge en anden MOSFET i stedet for den, især hvis det betyder, at drevkredsløbet bliver mere komplekst (at køre to transistorer på forskellige tidspunkter i stedet for kun en transistor) for at gøre den samme opgave "# 19"> Reveal Answer Hide svar

En MOSFET i dens forbedrede tilstand vil falde mindre spænding end en diode (selv en Schottky diode) i dette kredsløb, hvilket forbedrer effektiviteten.

Bemærkninger:

Det kan måske ikke være indlysende for nogle elever, hvorfor mindre spændingsfald (over MOSFET versus tværs af diode) har indvirkning på konverteringseffektiviteten. Påmind dem om, at strøm svarer til spændingstiderne aktuelle, og at for en given strøm betyder et reduceret spændingsfald reduceret effekttab. For den frihjulede strømbane betyder mindre strømafledning mindre strømforbrug og mindre strøm, som skal leveres af kilden (for samme belastningseffekt) og dermed større effektivitet.

Spørgsmål 20

En "boost" -omskifteromformer, der arbejder med 90% effektivitet, leverer 50 volt til en DC-belastning. Beregn belastningsstrømmen, hvis indgangsspændingen er 17 volt, og indgangsstrømmen er 9, 3 ampere.

Reveal svar Skjul svar

Jeg indlæser = 2, 85 ampere

Bemærkninger:

Beregninger, der involverer energieffektivitet, virker meget forvirrende for nogle studerende. Et princip, som jeg ofte minder mine elever om, er loven om energibesparelse, som forbyder ethvert kredsløb at udstyre mere energi (eller magt) end det tager i. Alt for ofte misskalder eleverne i problemer som disse og ender med output magt større end input magt!

Diskutere problemløsningsteknikker, der kræver input fra dine elever. Ideelt set har enkeltpersoner eller grupper præsentere deres teknikker til klassen som helhed, så du kan observere deres tænkningsprocesser, og så andre studerende kan lære at blive bedre problemløsere.

Spørgsmål 21

En "buck" -omskifteromformer, der fungerer ved 85% effektivitet, leverer 10 ampere strøm ved 5 volt til en DC-belastning. Beregn indgangsstrømmen, hvis indgangsspændingen er 23 volt.

Reveal svar Skjul svar

Jeg input = 2, 56 ampere

Bemærkninger:

Beregninger, der involverer energieffektivitet, virker meget forvirrende for nogle studerende. Et princip, som jeg ofte minder mine elever om, er loven om energibesparelse, som forbyder ethvert kredsløb at udstyre mere energi (eller magt) end det tager i. Alt for ofte misskalder eleverne i problemer som disse og ender med output magt større end input magt!

Diskutere problemløsningsteknikker, der kræver input fra dine elever. Ideelt set har enkeltpersoner eller grupper præsentere deres teknikker til klassen som helhed, så du kan observere deres tænkningsprocesser, og så andre studerende kan lære at blive bedre problemløsere.

Spørgsmål 22

En "boost" -omskifter konverter, der arbejder med 80% effektivitet, leverer 178 volt ved 1 amp til en DC-belastning. Beregn indgangsspændingen, hvis indgangsstrømmen er 11 ampere.

Reveal svar Skjul svar

V indgang = 20, 2 volt

Bemærkninger:

Beregninger, der involverer energieffektivitet, virker meget forvirrende for nogle studerende. Et princip, som jeg ofte minder mine elever om, er loven om energibesparelse, som forbyder ethvert kredsløb at udstyre mere energi (eller magt) end det tager i. Alt for ofte misskalder eleverne i problemer som disse og ender med output magt større end input magt!

Diskutere problemløsningsteknikker, der kræver input fra dine elever. Ideelt set har enkeltpersoner eller grupper præsentere deres teknikker til klassen som helhed, så du kan observere deres tænkningsprocesser, og så andre studerende kan lære at blive bedre problemløsere.

Spørgsmål 23

Udgangsspændingen fra en buck-konverter er en direkte funktion af omkoblingstransistorens arbejdscyklus. Specifikt, V ud = V i (((t) / (t totalt ))). Forklar, hvordan følgende PWM-styringskreds regulerer buck-konverterens udgangsspænding:

Reveal svar Skjul svar

Hvis belastningen (udgang) spænding, genererer PWM kredsløbet et udgangssignal med en større arbejdscyklus, som derefter driver strømtransistoren for at give mere spænding til belastningen.

Opfølgningsspørgsmål: Hvad er formålet med potentiometeret i dette kredsløb "Noter skjult"> Noter:

Her ser eleverne et PWM-styringskredsløb kombineret med en buck-konverter for at tilvejebringe spændingsreguleret strømkonvertering. Spørg dem hvilken form for feedback (positiv eller negativ?) Bruges i dette kredsløb til at regulere udgangsspændingen med en stabil værdi.

Lad dine elever vide, at PWM og feedbackfunktionerne til at skifte regulator kredsløb ofte leveres i et enkelt applikationsspecifik integreret kredsløb i stedet for af en samling af diskrete komponenter og IC'er som vist i spørgsmålet.

Spørgsmål 24

Energieffektiviteten (η) af omskifteromformerkredsløb forbliver typisk forholdsvis konstant over et bredt spektrum af spændingsomdannelsesforhold. Beskriv, hvordan en omskifter regulator kredsløb (styrer spænding til en forudindstillet værdi) "vises" til en strømkilde for at ændre spænding, hvis regulatorens belastning er konstant. Med andre ord, når indgangsspændingen ændres, hvad gør indgangsstrømmen?

Reveal svar Skjul svar

Indgangsstrømmen for en omskifteregulator er omvendt proportional med indgangsspændingen, når der drev en konstant belastning, der opstår som en negativ impedans for strømkilden.

Bemærkninger:

"Negativ impedans" og "negativ modstand" er sætninger, som måske ikke skal behandles meget ofte i et grundlæggende elektronik pensum, men de har vigtige konsekvenser. Hvis eleverne oplever vanskeligheder med at forstå, hvad meningen med "negativ" impedans er, skal de minde om denne matematiske definition for impedans:

Z = dV


dI

En af de utilsigtede (og modintuitive) konsekvenser af et kredsløbselement med negativ impedans kan være svingning, især når indgangseffektkredsløbet forekommer at indeholde betydelig induktans.

Spørgsmål 25

Følgende DC-DC-konverter kredsløb kaldes en fremadskonverter . Det kaldes dette, fordi energioverførslen fra input til output sker, mens transistoren er ledende, ikke mens den er slukket. Bekræft denne funktion af kredsløbet ved at spore strøm gennem alle dele af det, mens transistoren er tændt:

Spor nu strøm gennem kredsløbet, mens transistoren er slukket, og redegør for formålet med nulstillingsviklingen i transformeren:

Reveal svar Skjul svar

I de følgende skemaer er konventionel strømningsnotation blevet anvendt til at betegne strømstrømmen:

Formålet med nulstillingsviklingen er at frigøre transformatorkernen af ​​lagret energi under off-cyklen. Hvis dette ikke var gjort, ville transformatorkernens magnetiske fluxniveauer nå mætning efter blot nogle få on / off-cykler af transistoren.

Bemærkninger:

Dette spørgsmål er en god gennemgang af "dot convention" anvendt i transformator skematiske symboler.

Spørgsmål 26

Mens simple AC-DC strømforsyningskredsløb (transformer, ensretter, filter, regulator) stadig anvendes i en række elektroniske apparater, er en anden form for strømforsyning mere udbredt i systemer, hvor små størrelser og effektivitet er designkrav . Denne type strømforsyning hedder en vekselstrømforsyning .

Forklar, hvad en "switch power supply" er, og skaffer et skematisk diagram af en til præsentation og diskussion. (Hint: de fleste elektroniske computere bruger "switching" strømforsyninger i stedet for "brute force" strømforsyninger, så skematiske diagrammer bør ikke være vanskelige at finde.)

Reveal svar Skjul svar

Jeg vil lade dig gøre alt for dette spørgsmål!

Bemærkninger:

Mens mange "switching" strømforsyningskredsløb vil være for komplicerede for begynderelektronikstuderende til fuldt ud at forstå, vil det stadig være en nyttig øvelse for at analysere en sådan skematisk og identificere de vigtigste komponenter (og funktioner).

Spørg dine elever, hvorfor "switching" strømforsyninger er mindre og mere effektive end "brute force" -design. Bed dine elever om at bemærke, hvilken type transformer der bruges til at skifte strømforsyninger, og kontrasterer dens konstruktion til line-frekvens transformatorer.

Spørgsmål 27

Antag en ven af ​​dig, der for nylig har købt et terrængående køretøj. Denne ven købte også et militært overskud spotlight, som han mener ville være et godt tilbehør til off-road belysning natten. Det eneste problem er, at spotlights er klassificeret til 24 volt, mens det elektriske system i hans køretøj er 12 volt.

Din ven beder dig om at konstruere en løsning til at køre 24 volt spotlyset med de 12 volt, der er til rådighed på hans køretøj. Det er selvfølgelig ikke tilladt at ændre køretøjets elektriske system (skift det til 24 volt generator, batteri, startmotor osv.), Fordi det er nyt og stadig under garanti. Hvad anbefaler du til din ven "# 27"> Reveal svar Skjul svar

Mens der er flere forskellige metoder, der kan bruges her til at omdanne 12 volt til 24 volt, vil jeg ikke afsløre nogen af ​​dem her, så jeg ikke forkæler sjov for dig!

Bemærkninger:

Studerende kan være tilbøjelige til at give nemme svar på dette problem ("brug en DC-DC-konverter!"), Men formålet med det er, at de studerende skal undersøge løsninger på komponentniveau . Selvom de endnu ikke forstår hvordan kredsløbet fungerer, skal de kunne finde komplette løsninger i deres forskning eller i det mindste nok skemaer til dele af konverteringsprocessen for at kunne udvikle en komplet løsning.

Påmind dine elever om, at dette er en kraftfuld spotlight, de skal have magt! Deres konverteringssystem må muligvis håndtere hundredvis af watt.

Spørgsmål 28

Beskriv formålet med og funktionen af ​​dette kredsløb:

Den 120 volt AC-udgang, der leveres af dette kredsløb, er bestemt ikke sinusformet, og kredsløbets frekvens varierer med belastningen. Kan du tænke på en eller anden måde at forbedre disse aspekter af kredsløbet (du behøver ikke vise detaljer om dine designændringer) "# 28"> Reveal svar Skjul svar

Dette er et inverter kredsløb.

Vær rede til at forklare, hvad hver transistor gør, og hvordan transformeren kan fungere med DC-strøm på sin primære vikling.

Bemærkninger:

Denne særlige skematiske var afledt af en Triad brand transformer ansøgning, del nummer TY-75A. Anbefalede transistorer var Delco 2N278, Bendix 2N678, Clevite 2N1146 og Delco 2N173. Små variationer i modstands- og kondensatorstørrelser kan resultere i bedre ydeevne. De 3 Ω modstande skal have effektværdier på mindst 5 watt hver, og 150 Ω modstandene skal vurderes for mindst 20 watt hver.

Spørgsmål 29


∫f (x) dx Calculus alarm!


Elektroniske strømkonverteringskredsløb kendt som omformere konverterer DC til AC ved brug af transistoromskifterelementer til periodisk at vende polariteten af ​​jævnspændingen. I almindelighed øger omformerne også spændingsniveauet for indgangseffekten ved at anvende den spændte DC-spænding til den primære vikling af en step-up-transformer. Du kan tænke på en omformerens skifteelektronik som beslægtet med dobbeltpolet, dobbeltkastskifte, der skiftes frem og tilbage mange gange i sekundet:

De første kommercielt tilgængelige omformere producerede simpel firkantbølgeudgang:

Dette forårsagede imidlertid problemer for de fleste strømtransformatorer designet til at operere på sinusbølge vekselstrøm. Når de drives af kvadratbølgeffekten af ​​en sådan inverter, vil de fleste transformatorer mætte på grund af overdreven magnetisk flux, der akkumulerer i kernen ved visse punkter i bølgeformens cyklus. For at beskrive dette i de enkleste termer besidder en firkantet bølge et større volt-sekund-produkt end en sinusbølge med den samme topamplitude og grundfrekvens.

Dette problem kunne undgås ved at mindske spidsbølgeens spidsbelastning, men så ville nogle typer drevet udstyr opleve problemer på grund af utilstrækkelig (maksimal) spænding:

En brugbar løsning på dette dilemma viste sig at være en ændret arbejdscyklus for firkantbølgen:

Beregn brøkdelen af ​​halvcyklussen, for hvilken denne modificerede kvadratbølge er "på" for at have det samme volt-sekundære produkt som en sinusbølge for en halv cyklus (fra 0 til π radianer):

Tip: Det handler om at beregne de respektive områder under hver bølgeform i halvcykeldomænet.

Reveal svar Skjul svar

Fraktion = (2 / (π)) ≈ 0, 637

Udfordringsspørgsmål: Bevis at den arbejdscyklusfraktion, der er nødvendig for firkantbølgen, har den samme RMS-værdi som sinusbølgen, er nøjagtigt 1/2 . Tip: Volt-kvadreret-andet produkt af de to bølgeformer skal svare til deres RMS-værdier for at være ens!

Bemærkninger:

Dette problem er et godt eksempel på, hvordan integration anvendes i en meget praktisk forstand. Selvom dine elever ikke har kendskab til beregninger, skal de i det mindste kunne forstå begrebet lige volt-sekundære produkter for de to bølgeformer og være i stand til at relatere det til mængden af ​​magnetisk flux, som akkumulerer i transformerkernen gennem en cyklus .

Spørgsmål 30

En fælles topologi til DC-AC-omformer kredsløb bruger et par transistorer til at skifte DC-strøm gennem den centrertilbøjede vikling af en step-up-transformer, som denne:

For at denne form for kredsløb skal fungere korrekt, skal transistoren "skyde" signalerne være nøjagtigt synkroniseret for at sikre at de to aldrig tændes samtidigt. Det følgende skematiske diagram viser et kredsløb for at generere de nødvendige signaler:

Forklar, hvordan dette kredsløb virker, og identificer placeringen af ​​frekvensstyringen og pulskontrollens kontrolpotentiometre.

Reveal svar Skjul svar

Et tidsdiagram er værd at tusinde ord:

V ref = DC referencespænding indstillet af pulscykluspotentiometer
V-dæk = Spænding målt på topstikket på 555's kondensator
V comp = Komparator udgangsspænding
V 555 (ud) = 555 timers udgangsspænding
Q = Ikke-omvendt output fra JK-flip-flop
(Q) = Omvendt output af JK flip-flop

Opfølgningsspørgsmål: Hvilken retning skal du flytte frekvenspotentiometeret for at øge udgangsfrekvensen af ​​dette kredsløb "noter skjult"> Noter:

Dette spørgsmål er en øvelse i skematisk diagram og timing diagram fortolkning. Forresten, jeg har bygget og testet dette kredsløb, og jeg kan sige det virker meget godt.

  • ← Forrige regneark

  • Regneark Indeks

  • Næste regneark →