Strömförsörjning. Laboration i Elektronik 285. Laboration Produktionsanpassad Elektronik konstruktion

Transkript

1 UMEÅ UNIVERSITET Tillämpad fysik och elektronik Dan Weinehall PA Persson Redigerad av Johan Haake och Stig Esko Laboration Produktionsanpassad Elektronik konstruktion Strömförsörjning Laboration i Elektronik 285 Namn Ej godkänd/åter Datum1 Datum2 Godkänd Datum 1. Målsättning 1

2 Efter genomgången laboration har du grundläggande kunskaper om några vanliga elektronikkomponenter, som används vid strömförsörjning, spänningsregulatorn µa7805, switchregulatorn LM 2574 samt vissa kringkomponenter. 2. Förberdelse Läs utdrag ur Bengt Molins kompendium, Förstärkarteknik. 3. Likriktning och glättning Figuren nedan illustrerar en metod att från kraftnätets 220VAC åstadkomma en oreglerad likspänning. Koppla upp kretsen på ett labdäck och undersök med hjälp av ett oscilloskop hur utsignalen ser ut. Spara denna uppkoppling! Den ska användas under hela labben. Rita av oscilloskopbilden både med och utan kondensatorn C1. Använd följande material. Transformatorn L1//l2: AC/AC-omvandlare från Mascot (Typ8710, 15VA). D1-D4 : 1N4002 C1: Elektrolytkondensator på 2200uF, 40 volt. Figur 1: Oreglerad likspänning Oscilloskopbild utan kondensator Oscilloskopbild med kondensator 2

3 Figur Koppla upp enligt figur 2. Som spänningskälla (Uin) används kretsen enligt figur 1. Den ger en oreglerad utspänning, som ansluts till Uin i figur Mät med oscilloskopet Uut och undersök vad som händer med utspänningen när R L = 100 Ω resp R L = 200 Ω Rita av Uut för R L = 200 Ω och ange spänningens toppvärde och rippel. Uut när RL = 200 ohm. 4. Spänningsregulatorn LM7805. Reglerad spänning. Det finns numera en mängd olika integrerade spänningsregulatorer som är lätta att använda och som har inbyggda skydd mot överbelastning. Du skall här studera en vanlig regulator 78xx där xx står för den utspänning som önskas. Den finns för ett urval fasta utspänningar såsom 5, 6, 8, 12, 15, 18, 24 volt. Den har endast tre anslutningar, ingång, utgång och en gemensam anslutning. Ett spänningsaggregat med en 7805, som ger 5 V utspänning kan då kopplas enligt figur 3. Spänningsaggregatet belastas med R L. Figur 3. Schema för spänningsreglering. Uin enligt, figur 1. 3

4 4.1 Output regulation Koppla enligt figur 3, anslut R L = 100 Ω. Mät Uut = U o1 med DMM Anslut oscilloskopet och undersök Uut och Uin Anslut R L = 22 Ω.. Mät Uut = U o2 med DMM Anslut oscilloskopet och undersök Uut och Uin Hur förändras bilderna av Uut och Uin på oscilloskopet? Jfr med uppgift 3..2 Bestäm U o2 :s rippel Beräkna Uut = U o1 - U o2. Hur stämmer det med databladets värde? (Finns att hämta på elfas hemsida Beräkna verkningsgraden för pkt och Undersökning av termiska skyddet. I kretsen finns ett inbyggt termiskt skydd. Om kretsen överbelastas genom att Iut blir för stor, kopplas termiska skyddet in och stoppar ytterligare ökning av Iut. Det sker genom att spännigen Uut snabbt dras ner till en låg nivå a) Undersök hur termiska skyddet fungerar genom att väljda mindre R L Vad händer med Uut och Iut? b) Kyl 7805:an med en fuktad pappershandduk. Vad händer med Uut och Iut? c) Ange databladets värde på Iut för kortsluten utgång. Mät Uut = U o1 med DMM Anslut oscilloskopet och undersök Uut och Uin. 4

5 5. Struket 6. Switchande matningsdon. Switchande matningsdon ökar alltmer i popularitet,när det gäller strömförsörjning. Deras storlek i förhållande till uttagbar effekt gör dem överlägsna jämfört med linjära utrustningar. I ett switchande matningsdon "hackas"den likriktade och filterade inspänningen av en transistorswitch. Switchens till-från-tid bestäms av efterföljande kretsars energibehov och regleras av en styrkrets. Om switchningen utförs med hög frekvens kan andra komponenter som behövs för energilagringen mm göras mindre. Utvecklingen mot allt snabbare komponenter går fort. Switchfrekvenserna i dagens teknik ligger mellan 50 khz och 1MHz. Det gör utrustningarna för matningsdon effektivare och mindre utrymmeskrävande. I denna laboration skall ett par exempel på switchande omvandlare dimensioneras och kopplas upp på labdäck. 6.1 Konstruktion av ett switchat matningsdon (Step-down- eller buck converter) med utspänningen 5 V. Dimensionering av step-down, Buck-converter. Specifikation Du skall konstruera en step-down omvandlare enligt följande specifikation: Vin : ca 12 V. Utspänningen : V out = 5 V. I L max = 0.3 A Switchregulator: LM2574-Adj Matningsspänningen Vin tas från Kretsen enligt figur 1 5

6 6,2 Komponentval. Förslag till komponentval och schema se datablad Simple Switcher 0.5A stepdown Voltage Regulator. Finns att ladda ner från elfas hemsida. Följande komponenter finns i lager: Switchregulator LM2574-Adj Induktor 330 µh Schotkydiod 1N5818 Kondensatorer 100 µf, 330µF Motstånd av olika storlek Frågor i anslutning till de komponentval som görs vid konstruktionen: Se ELFA- katalogens faktablad och datablad för LM2574. a) Vilken typ av kondensatorer bör väljas på utgången? b) Vilka speciella egenskaper har den kondensatortypen? c) Vilket/vilka komponentvärden skall du ändra för att minska ripplet? d) Även induktorn måste ha speciella egenskaper för att passa i switchade matningsdon. Ange några. Vilken typ av induktor bör man välja? e) Varför bör inte strömmen i induktorn ligga för nära dess märkström? f) Varför är det bättre att använda Schottkydioder än vanliga dioder? 6.3 Uppkoppling och mätningar på kopplingsdäck. Koppla upp step-down omvandlaren och gör mätningar enligt tabellen nedan. OBS!! I databladet för LM2574 finns några råd man bör följa vid uppkopplingen. Grundregeln är att använda så korta och så få trådar som möjligt. Belastningsresistor R L (Ω) U in (V) I in (ma) P in (W) U ut (V) I ut = I L (ma) P ut (W) U ripple(t-t) (mv) f 0 (khz) η

7 a) Hur stort är ripplet på utgången? b) Stämmer uppmätt switchfrekvens (f 0 ) med databladets värde? Påverkas switchfrekvensen av belastningen? c) Mät ripplet på matningsspänningen. Vilka frekvenser har ripplet? Finns switchfrekvensen med? d) Hur påverkas U ut och ripplet om en mindre induktor resp större eller mindre kondensator väljs? Belasta med I L 0.3 A. (R L = 12 Ω) e) Hur stämmer dina beräknade verkningsgrader (η) med databladets uppgifter? 7