FAKULTA INFORMAČNÍCH TECHNOLOGIÍ

Transkript

1 VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ FAKULTA INFORMAČNÍCH TECHNOLOGIÍ ÚSTAV INTELIGENTNÍCH SYSTÉMŮ MODEL PROPUSTNÉHO MĚNIČE PROJEKT DO PŘEDMĚTU SNT AUTOR PRÁCE KAMIL DUDKA BRNO 2008

2 Model propustného měniče Zadání Zvolte si tématiku pro studium a zpracování vlastního modelu. Téma necht má přímou návaznost na osnovy SNT a nezasahuje do jiných předmětů na FIT. Model implementujte, dokumentujte a experimentálně předved te.

3 Obsah 1 Úvod 2 2 Teoretická část Propustný měnič Pulsně-šířková modulace Návrh měniče Měnič jako matematický blok Výkonová část měniče Řídící obvod Experimenty s měničem Startovací obvod Závěr 17 1

4 Kapitola 1 Úvod Tato práce popisuje návrh propustného měniče s využitím simulačního nástroje Dymola ( Cílem práce bylo modelování a simulace elektronického zařízení před jeho hardwarovou realizací. Modelování je prováděno postupně na různých úrovních abstrakce a jsou porovnávány různé varianty návrhu s ohledem na výsledné vlastnosti konstruovaného zařízení. V následující kapitole je vysvětleno, co je to propustný měnič, a proč a kde se využívá. Dále je vysvětlen princip pulsně-šířkové modulace, na které je založen řídící obvod měniče. V kapitole 3 je pak zdokumentován postupný návrh měniče spolu s výsledky simulace. 2

5 Kapitola 2 Teoretická část 2.1 Propustný měnič Blokové schéma propustného měniče, který byl modelován a simulován, je na obr Jedná se o tzv. DC/DC měnič, který převádí vstupní stejnosměrné napětí (V i ) na výstupní stejnosměrné napětí (V o ), přičemž platí V i > V o. Obě napětí jsou vztaženy vůči stejnému po- Obrázek 2.1: Propustný měnič - obrázek převzatý z [2] tenciálu, měnič tedy nelze použít ke galvanickému oddělení zdroje od spotřebiče. Díky řídícímu obvodu (který na zjednodušeném schématu není vidět), může být výstupní napětí stabilizováno to znamená, že měnič se v určitém rozsahu snaží udržet výstupní napětí na konstantní hodnotě bez ohledu na proud tekoucí do spotřebiče (R). Nabízí se otázka, proč nepoužít místo měniče lineární stabilizátor. Důvodem je účinnost. Obyčejný lineární stabilizátor má mnohem vyšší ztráty, protože rozdíl mezi vstupním a výstupním napětí jednoduše přemění na teplo. Ztrátový výkon lineárního stabilizátoru lze spočítat P t = (V i V o ) I Ztrátový výkon tedy roste s rozdílem napětí a protékajícím proudem. Naproti tomu propustný měnič dosahuje vysoké účinnosti (v praxi 80% 90%) i při velkém rozdílu napětí. 3

6 To je dáno tím, že energie není záměrně přeměňována na teplo, ale je pouze transformována do její využitelné podoby. Ztráty měniče jsou dané pouze přepínacími ztrátami spínacího prvku a ztrátami pasivních součástek (cívky, diody, kondenzátoru) 1. Obrázek 2.2: Propustný měnič - obrázek převzatý z [2] Princip činnosti propustného měniče je znázorněn na obrázku 2.2. Jak je na obrázku vidět, obvod prochází periodicky dvěma stavy podle toho, jestli je spínací prvek sepnutý nebo rozepnutý. Nejdříve je spínací prvek sepnutý a přes cívku teče proud ze zdroje do spotřebiče, přičemž se v jádru cívky akumuluje energie. Potom se spínací prvek rozepne a proud začne protékat diodou. Energie naakumulovaná v cívce, je tak využita a předá se spotřebiči 2. Důležitou částí takového měniče je řídící obvod, který určuje okamžiky, ve kterých se spínací prvek sepne nebo rozepne. 2.2 Pulsně-šířková modulace Základním stavebním kamenem řídícího obvodu, který byl použitý v modelovaném měniči, je tzv. pulsně-šířková modulace (Pulse-Width Modulation, nebo jen PWM ). Přesnou definici pulsně-šířkové modulace lze nalézt v [6]. Pulsně šířkový modulátor generuje signál obdélníkového tvaru, přičemž frekvence signálu je konstantní a mění se pouze šířka pulsů. Právě konstantní frekvence byla jeden z důvodů, který mě vedl k využití tohoto typu regulace v řídícím obvodu měniče. Pokud je frekvence konstantní je možné s ohledem na zvolenou frekvenci optimálně zvolit typ použitých součástek, zejména použít vhodné jádro pro konstrukci cívky. Navíc je možné frekvenci nastavit na takovou hodnotu, aby nevznikalo nežádoucí rušení at už na straně spotřebiče nebo na straně zdroje. Pokud 1 Do ztrát měniče by měla být počítána také spotřeba řídícího obvodu, ale ta je většinou zanedbatelná vzhledem k výkonu měniče a navíc se obdobná ztráta vyskytuje i u lineárního stabilizátoru. 2 Odtud plyne vysoká účinnost měniče. 4

7 frekvenci nastavíme na vyšší hodnotu, než je mezní frekvence slyšitelného signálu, nebude měnič rušit nepříjemným pískáním. Princip pulsně-šířkové modulace je znázorněn na obr Výstup modulátoru je znázorněn fialovou barvou. Je vidět, že perioda signálu zůstává konstantní frekvence (f = 1 T ) je tedy také konstantní. Vstupní signál je znázorněn zeleně. Čím je hodnota vyšší, tím jsou generovány širší impulsy. Z grafu je také vidět, jak je PWM generátor obvykle implementován. Používá se generátor pily (saw generator)[7], jehož výstup je znázorněn modrou barvou. Aktuální hodnota pily je pak komparátorem porovnávána s hodnotou vstupního signálu a tak je přímo získán výstupní signál. Obdobně je implementován řídící obvod měniče, který je popsán v kapitole 3.3. Obrázek 2.3: Pulsně šířková modulace - obrázek převzatý z [6] 5

8 Kapitola 3 Návrh měniče Měnič byl postupně modelován na různých úrovních abstrakce. Za tímto účelem bylo v modelu definováno rozhraní IDCtoDC (obr. 3.1), které popisuje měnič jako abstraktní komponentu. V testovacím zapojení lze pak jednoduše vybírat z různých variant měničů, které tohle rozhraní implementují. Obrázek 3.1: Komponenta IDCtoDC - rozhraní měniče Rozhraní IDCtoDC je popsáno následujícími rovnicemi: v_in = in_p.v - n.v; v_out = out_p.v - n.v; i_in = in_p.i; i_out = -out_p.i; 3.1 Měnič jako matematický blok Na nejvyšší úrovni abstrakce byl měnič modelován jako matematický blok popsaný rovnicemi: v_in*i_in = v_out*i_out/eta; 0 = in_p.i + out_p.i + n.i; v_out = Vout; 6

9 První rovnice je zákon Zákon zachování energie[8], který byl doplněn o účinnost (eta = η). Druhá rovnice představuje Kirchhoffův zákon o uzlech[4]. Účinnost (η) byla definována jako parametr komponenty. Druhým parametrem (V out ) je požadovaná hodnota výstupního stabilizovaného napětí. Tyto parametry lze nastavit podle potřeby před spuštěním simulace. Měnič definovaný jako matematický blok vykazuje ideální chování, které bere v úvahu pouze účinnost měniče. Účinnost si uživatel může nastavit jakoukoliv účinnost a není zaručeno, že bude odpovídat hardwarové realizaci. Dokonce ani není zaručena podmínka V i > V o. Blok je popsaný soustavou lineárních rovnic a svým chováním se podobá lineárnímu stabilizátoru. Při simulaci se potvrdilo, že na této úrovni abstrakce se v měniči neprojevuje žádné dynamické chování. 3.2 Výkonová část měniče Návrh výkonové části měniče přímo vychází z blokového schématu uvedeného v kapitole 2.1. Na obr. 3.2 je schéma výkonové části, které bylo vytvořeno pomocí simulačního nástroje Dymola a je přímo součástí simulovaného modelu. Jedním z cílů návrhu bylo stabilizované Obrázek 3.2: Schéma zapojení výkonové části propustného měniče výstupní napětí. Toho je dosaženo zavedením zpětné vazby[1] z výstupu měniče přes odporový dělič R 1 /R 2 na vstup řídícího obvodu. Model je stále z části abstraktní, protože obsahuje 7

10 abstraktní bloky spínacího prvku a řídícího obvodu. Pro spuštění simulace je potřeba tyto bloky nějak implementovat. Byly vytvořeny dvě varianty bloku spínacího prvku: Darlingtonův tranzistor[3] obr. 3.3, 3.4 P-channel MOSFET [5] obr. 3.5, 3.6 Obrázek 3.3: Implementace spínacího prvku pomocí Darlingtonova tranzistoru Obrázek 3.4: Průběh vstupního proudu, Darlingtonův tranzistor, R Z = 0.1Ω červená barva znázorňuje pulsní proud tekoucí do měniče, modrá barva je proud tekoucí snímacím odporem R i 8

11 Obrázek 3.5: Implementace spínacího prvku pomocí P-channel MOSFET Obrázek 3.6: Průběh vstupního proudu, P-channel MOSFET, R Z = 0.1Ω modrá barva znázorňuje pulsní proud tekoucí do měniče, červená barva je proud tekoucí snímacím odporem R i 3.3 Řídící obvod Základní varianta řídícího obvodu vychází z obvyklé implementace PWM, jak byla popsána v kapitole 2.2, schéma zapojení je na obrázku 3.7. Napětí na vstupu řídícího obvodu je porovnáváno komparátorem (v podobě operačního zesilovače) s napětím pily. Tato základní varianta však dokázala regulovat výstupní napětí jen pro omezený rozsah připojené zátěže, navíc s nepřípustně dlouho odezvou (konkrétní průběhy jsou uvedeny v následující kapitole). Proto byl řídící obvod rozšířen o vstupní zesilovač v podobě dalšího operačního zesilovače, jak ukazuje obr Na grafech na obr. 3.9 a 3.10 je možné porovnat hodnoty výstupního napětí měniče, které používají základní a rozšířenou variantu vstupního obvodu. 9

12 Obrázek 3.7: Schéma zapojení základní varianty řídícího obvodu Obrázek 3.8: Schéma zapojení rozšířené varianty řídícího obvodu 10

13 Obrázek 3.9: Průběh výstupního napětí použita základní varianta PWM, R Z = 10Ω Obrázek 3.10: Průběh výstupního napětí použita rozšířená varianta PWM, R Z = 10Ω 3.4 Experimenty s měničem V předchozích kapitolách byly postupně popsány všechny komponenty tvořící propustný měnič. Nyní je potřeba vytvořit pro simulaci měniče testovací zapojení, které je tvořeno zdrojem a spotřebičem. Schéma testovacího zapojení je znázorněno na obr Díky testovacímu zapojení bylo možné otestovat, jak se měnič chová v různých situacích např. když se mění odebíraný proud nebo charakter spotřebiče. Mezi zdroj napětí a měnič byl umístěn RC článek, díky kterému je možné z grafu odečítat stejnosměrný proud, který do měniče teče. Navíc díky této úpravě se chování zdroje více podobá reálnému zdroji (s vnitřním odporem). V grafech na obr. 3.12, 3.13 a 3.14 je znázorněno chování měniče v obvodech s různou zátěží. V tabulce 3.1 je pak vypočítána účinnost měniče při těchto zatíženích. 11

14 Obrázek 3.11: Schéma zapojení testovacího zapojení R z V in I in P in P out η Teoretická účinnost lineárního stabilizátoru 10.0Ω 12.00V 0.3A 3.60W 2.50W 69.46% 41.68% 1.0Ω 11.98V 2.5A 29.94W 25.00W 83.51% 41.84% 0.1Ω 11.72V 28.0A W W 76.18% 43.48% Tabulka 3.1: Výpočet účinnosti měniče pro různé zátěže 12

15 Obrázek 3.12: Průběh vstupního proudu, R Z = 10Ω modrá barva znázorňuje pulsní proud tekoucí do měniče, červená barva je proud tekoucí snímacím odporem R i Obrázek 3.13: Průběh vstupního proudu, R Z = 1Ω modrá barva znázorňuje pulsní proud tekoucí do měniče, červená barva je proud tekoucí snímacím odporem R i Obrázek 3.14: Průběh vstupního proudu, R Z = 0.1Ω modrá barva znázorňuje pulsní proud tekoucí do měniče, červená barva je proud tekoucí snímacím odporem R i 13

16 3.5 Startovací obvod Doted byl měnič popisován pouze v ustáleném stavu to znamená, že před simulací byl počáteční stav proměnných nastaven na hodnoty, které odpovídají ustálenému stavu. Tím simulace uměle startovala z ustáleného stavu. V hardwarové realizaci je však potřeba zajistit hladký start měniče po připojení k napájecímu napětí. Řídící obvod byl tedy rozšířen o obvod plynulého startu. Dále byla také omezena maximální střída PWM a tím byla zajištěna celkově vyšší stabilita napět ové regulace. Na obr je schéma výsledné varianty řídícího obvodu. Grafy na obr a 3.17 zachycují průběhy výstupního napětí původního zapojení a jeho rozšířené varianty s hladkým startem (k měniči není zapojen spotřebič). Na obr je znázorněn princip startovacího obvodu. Na obr je výsledné chování měniče při startu (se zátěží R z = 0.1Ω) okamžitá hodnota vstupního proudu a proud tekoucí cívkou L. Obrázek 3.15: Schéma zapojení výsledné varianty řídícího obvodu 14

17 Obrázek 3.16: Průběh výstupního napětí bez startovacího obvodu, R Z = Obrázek 3.17: Průběh výstupního napětí se startovacím obvodem, R Z = Obrázek 3.18: Činnost startovacího obvodu, RZ = modrá barva znázorňuje vstup komparátoru, červená barva znázorňuje výstup zesilovače odchylky 15

18 Obrázek 3.19: Činnost startovacího obvodu, RZ = 0.1Ω modrá barva znázorňuje okamžitou hodnotu vstupního proudu, červená barva znázorňuje proud tekoucí cívkou L 16

19 Kapitola 4 Závěr Postupným zpřesňováním modelu měniče vznikl popis odpovídající jeho hardwarové realizaci. Na základě vzniklého modelu je možné měnič sestavit ze součástek, které jsou běžně dostupné v maloobchodě s elektronickými součástkami. Přestože je zapojení velmi jednoduché, dosahuje vysoké účinnosti v porovnání s lineárním stabilizátorem. Bylo zjištěno, že účinnost je závislá na velikosti odebíraného proudu. Výpočet účinnosti a její srovnání s lineárním stabilizátorem je v tabulce 3.1. V zařízení byly testovány různé typy spínacích prvků (Darlingtonův tranzistor a MOS- FET). Volba spínacího prvku neměla zásadní vliv na celkovou účinnost měniče, měla však vliv na průběh signálu uvnitř měniče vše je zachyceno v grafech. Postupným vylepšováním řídícího obvodu vznikl komplexní regulátor, který vykazuje dobré vlastnosti zejména rozsah regulace a doba odezvy. Zařízení je velmi jednoduché a je zde prostor pro další vylepšení. Díky své vysoké účinnosti však najde uplatnění (jako součást jiných elektronických zařízení) všude tam, kde je potřeba šetřit energii. 17

20 Literatura [1] Frohn, M.; Oberthür, W.; Siedler, H.-J.; aj.: Elektronika - polovodičové součástky a základní zapojení. BEN, 2003, ISBN [2] Wikipedia: Buck converter. converter, [3] Wikipedia: Darlington transistor. transistor, [4] Wikipedia: Kirchhoffovy zákony. zákony, [5] Wikipedia: MOSFET [6] Wikipedia: Pulse-width modulation. width modulation, [7] Wikipedia: Sawtooth wave. wave, [8] Wikipedia: Zákon zachování energie. zachování energie,