Spannungsregler mit einstellbarem, geregeltem Ausgang und hohem Wirkungsgrad

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1 Spannungsregler mit einstellbarem, geregeltem Ausgang und hohem Wirkungsgrad 1. Lernziele für dieses Praktikum im Modul Elektronik Nachvollziehen der Funktionsweise und der Aufteilung in Funktionsblöcke Üben des systematischen, schrittweisen Vorgehens bei der Realisation der Schaltung: entwerfen, dimensionieren, aufbauen, testen, ausmessen und dokumentieren Spannungsverläufe im Abwärtswandler nachmessen und vergleichen mit der Theorie: Da das Praktikum modular aufgebaut ist, kann es, je nach verfügbarer Zeit, abgekürzt werden. Hanspeter Hochreutener, 22. April 2013 Zentrum für Signalverarbeitung und Nachrichtentechnik, School of ZHAW 2. Spezifikation (Eckwerte) Realisation eines Spannungsreglers mit hohem Wirkungsgrad und einstellbarem Ausgang mit: Uein = 6 12 Vdc ungeregelt Uaus = 0 5 Vdc einstellbar Uaus < 0.2 Vpp = Welligkeit (ripple) Iaus < 0.5 A 3. Block-Diagramm Als Spannungsregler werden oft Linearregler eingesetzt, welche als Integrierte Schaltungen erhältlich sind. Sie bauen die überschüssige Spannung an einem mehr oder weniger leitenden Transistor ab. Entsprechend ist der Wirkungsgrad eher tief und beträgt maximal η < Uaus/Uein. Ein hoher Wirkungsgrad bei einem DC-DC-Wandler ist nur möglich mit getakteten Schaltungen. Im vorliegenden Fall ist die Spannung am Ausgang tiefer als am Eingang. Es kann also ein getakteter Abwärtswandler eingesetzt werden. Für einen einstellbaren, geregelten Ausgang wird ein Soll-Ist-Vergleich benötigt, der das PWM- Signal für den getakteten Abwärtswandler nachreguliert, bis die Ausgangsspannung stimmt. Ungeregelte Eingangsspannung Getakteter Abwärtswandler Geregelte Ausgangsspannung Verbraucher Dreieck- Oszillator Comparator erzeugt PWM-Signal Soll-Ist- Vergleich und Regler Einstellbarer Soll-Wert Spannungsregler.doc Seite 1 / 8 H. Hochreutener, SoE@ZHAW

2 Stellen sie sich vor, dass sie die ganze Schaltung mit zwei Dutzend Bauteilen aufs Mal aufbauen und sie nicht funktioniert, weil sie z.b. eine Drahtverbindung vergessen haben. Wie gehen sie bei der Fehlersuche vor? Um dieses Problem zu vermeiden, soll die Schaltung schrittweise entworfen, dimensioniert, aufgebaut, getestet, ausgemessen und dokumentiert werden. Wenn bei einem Schritt ein Fehler auftritt, ist damit klar, wo gesucht werden muss. 4. Getakteter Abwärtswandler 4.1. Entwurf Das Schema des getakteten Abwärtswandlers ist klar. Es kann gewählt werden, ob ein n- oder ein p-kanal-fet eingesetzt werden soll. In diesem Fall schlage ich einen p-kanal-fet vor, da die Ansteuerung ohne zusätzliche Hilfsspannung möglich ist. Hinweis: Die Bauteilwerte im Schema sind Platzhalter: Bitte richtige Werte selbst berechnen Dimensionierung Schaltfrequenz wählen. Was spricht für eine hohe, was für eine tiefe Frequenz? Lspeicher und Cfilter berechnen bei mittleren Werten von Ein- und Ausgangsspannung Aufbau Wichtig: Kurze Verbindungen zwischen diesen Bauteilen, da grosse Ströme geschaltet werden und bei langen Drähten störende induktive Spannungsspitzen entstehen können Tests Welche Spannungspegel werden benötigt, um den FET sicher ein- und auszuschalten? Gate des FET ansteuern mit einer Rechteckspannung vom Signalgenerator = PWM-Signal. Erster Test mit mittleren Werten: Uein = 9 V PWM-Signal = 50% RLast = 22 Ω Welche Ausgangsspannung sollte sich einstellen? Wie sollten die Kurvenverläufe der Spannungen am Drain und am Ausgang aussehen? Überprüfen sie das mit dem Oszilloskop? Falls das nicht erwartungsgemäss ist, muss vor dem Weiterfahren der Fehler gesucht werden Messungen und Dokumentation Wie gut stimmt die Ausgangsspannung mit der Theorie überein: Uaus/Uein = tein/t? Wie gross ist die Welligkeit der Ausgangsspannung Uaus? Wie gross ist der Wirkungsgrad des Abwärtswandlers η = Paus/Pein = (Uaus Iaus)/(Uein Iein)? Spannungsregler.doc Seite 2 / 8 H. Hochreutener, SoE@ZHAW

3 Uein tein/t RLast Uaus,soll Uaus,ist Uaus Iein Iaus η Bemerkung 9 V 50% 82 Ω 9 V 50% 22 Ω 9 V 80% 22 Ω 9 V 20% 22 Ω 6 V 50% 22 Ω 12 V 50% 22 Ω 6 V 50% Ohne Last 12 V 50% Ohne Last Bestimmen sie aus den ersten zwei Messungen die lineare Ersatzschaltung: 5. Dreieck-Oszillator 5.1. Entwurf Ein Dreieck-Rechteck-Oszillator besteht aus einem Schmitt-Trigger und einem Integrierer. Da in dieser Anwendung die genaue Kurvenform des Dreiecks nicht wesentlich ist, wurde der Integrierer durch das RC-Glied R11, C11 ersetzt. Die Kurvenform entspricht genaugenommen Ausschnitten einer Exponentialfunktion. Dafür wird ein Operationsverstärker weniger benötigt Dimensionierung Wählen sie eine Amplitude für das Dreieck-Signal (= Schmitt-Trigger-Schaltschwellen). Die Widerstände R12, R13 und R14 bestimmen die Schmitt-Trigger-Schaltschwellen. Die Oszillator-Frequenz entspricht der für den getakteten Abwärtswandler festgelegten. R11 und C11 haben einen dominanten Einfluss auf die Frequenz Aufbau Bauen sie diesen Schaltungsteil abgesetzt vom Leistungsteil auf, um das Einkoppeln von Störung zu minimieren. Schliessen sie Ground und Speisung für diese Teilschaltung mit je einem einzigen Draht direkt bei Csieb an. Hinweis: Verwenden sie diese sternpunktförmige Verdrahtung für jede Teilschaltung. Spannungsregler.doc Seite 3 / 8 H. Hochreutener, SoE@ZHAW

4 5.4. Tests Schwingt der Rechteck-Dreieck-Oszillator mit der richtigen Frequenz? Stimmt die Dreieck-Amplitude des Oszillators? Hinweis: Die Flankensteilheit des Rechtecks wird begrenzt durch die Geschwindigkeit der Operationsverstärkers (slew rate) Messungen und Dokumentation Uein Frequenz Udreieck,soll Udreieck,ist Bemerkung 6 V 9 V 12 V 6. Comparator erzeugt PWM-Signal 6.1. Entwurf 6.2. Tests 1 Schliessen sie den Dreieck-Oszillator an, aber noch nicht das Gate des FETs. Kann das PWM-Verhältnis stufenlos von 0% auf 100% variiert werden, wenn sie die Reglerspannung verändern? Verwenden sie eine variable Spannung von einem Netzteil um die Reglerspannung zu simulieren. Sind die Flanken des PWM-Signals sauber? Ist der Operationsverstärker schnell genug? Spannungsregler.doc Seite 4 / 8 H. Hochreutener, SoE@ZHAW

5 6.3. Messungen und Dokumentation 1 Uein PWM-Verh. Uregler,soll Uregler,ist Bemerkung 9 V 50 % 9 V 80 % 9 V 20 % 6 V 50 % 12 V 50 % 6.4. Tests 2 Schliessen sie nun das Gate des FETs ebenfalls an. Kann die Ausgangs-Spannung stufenlos von 0% auf 100% variiert werden, wenn sie die Reglerspannung verändern? Wie sehen die Spannungen am Gate, am Drain und am Ausgang aus? 6.5. Messungen und Dokumentation 2 Uein PWM-Verh. Uregler,soll Uregler,ist Bemerkung 9 V 50 % 9 V 80 % 9 V 20 % 6 V 50 % 12 V 50 % 7. Einstellbarer Soll-Wert 7.1. Entwurf Für den Soll-Wert kann eine genaue 2.5V-Bandgap-Referenz verwendet werden. Mit einem Potentiometer kann die Spannung V stufenlos eingestellt werden. Da der Ausgang im Bereich 0 5 V liegen soll, wird der Ist-Wert mit einem Spannungsteiler auf V halbiert, damit er mit dem genauen Soll-Wert verglichen werden kann. Spannungsregler.doc Seite 5 / 8 H. Hochreutener, SoE@ZHAW

6 7.2. Tests, Messungen und Dokumentation Stimmt die Spannung der Referenz? Kann mit dem Potentiometer die Spannung stufenlos variiert werden? 8. Soll-Ist-Vergleich und Regler 8.1. Entwurf 8.2. Dimensionierung In vielen Fällen wird mit einem Proportional-Integral-Regler (PI-Regler) ein gutes Resultat erreicht. Der Proportional-Faktor (= Verstärkung) bewirkt, dass der Regler schnell auf Laständerungen reagiert. Allerdings ist der Proportional-Regler nicht sehr genau. Der Proportional-Faktor wird mit dem Verhältnis R31/R32 eingestellt. Höhere Verstärkung verbessert die Regelgenauigkeit. Zu hohe Verstärkung bewirkt aber, dass der Regler zu schwingen beginnt. Der Integral-Anteil bewirkt, dass nach einer gewissen Zeit (= Nachstellzeit) der Ausgang den genauen Wert erreicht (Ist = Soll). Er wird mit dem Verhältnis von C31 zu R32 eingestellt. Ein kleiner Kondensator macht den Regler schneller, aber auch nervöser und anfälliger auf Störungen. Es gibt mehrere Verfahren, um die optimalen P- und I-Anteile zu bestimmen. Eine einfache Möglichkeit, die ohne komplizierte Rechnung auskommt ist das Ziegler-Nichols-Verfahren: Vorgehen für das Ermitteln der idealen Regler-Einstellungen Mittlere Werte wählen für Eingangs- und Ausgangs-Spannung sowie Last-Widerstand. I-Anteil auf 0 setzen => C31 überbrücken P-Anteil (= R31) erhöhen, bis die Ausgangs-Spannung gerade zu oszillieren beginnt. Wert von R31 (= R31kritisch) und Periodendauer (= Tkritisch) der Schwingung messen. R31 = 0.45 R31kritisch und C31 = 0.85 Tkritisch/R32 Spannungsregler.doc Seite 6 / 8 H. Hochreutener, SoE@ZHAW

7 8.3. Tests Da der Regler nur im geschlossenen Regelkreis funktioniert, kann er leider nicht separat getestet werden. Deshalb ist es wichtig, dass sie sicher sind, dass alle anderen Teilschaltungen vorher einwandfrei funktioniert haben. Ist die Ausgangs-Spannung stabil oder schwingt der Ausgang? Hinweis: Die Welligkeit Uaus mit der PWM-Frequenz stammt vom Abwärtswandler und ist normal. Wenn der Regler nicht richtig eingestellt ist, stellt sich eine Schwingung mit wesentlich tieferer Frequenz ein. Überprüfen sie die Stabilität für verschiedene Eingangs-Spannungen und Last-Widerstände Messungen und Dokumentation Uein RLast Uaus,soll Uaus,ist Uaus Stabil? Iein Iaus η Bemerkung 9 V 82 Ω 5 V 9 V 22 Ω 5 V 9 V 22 Ω 3 V 9 V 22 Ω 1 V 9 V 10 Ω 5 V 9 V 10 Ω 3 V 9 V 10 Ω 1 V 6 V 22 Ω 5 V 6 V 22 Ω 3 V 6 V 22 Ω 1 V 12 V 22 Ω 5 V 12 V 22 Ω 3 V 12 V 22 Ω 1 V 6 V Ohne Last 3 V 12 V Ohne Last 3 V Bestimmen sie aus den ersten zwei Messungen die lineare Ersatzschaltung: Vergleichen sie das Resultat mit der linearen Ersatzschaltung des Abwärtswandlers alleine, also ohne Regelung. Wie erklären sie das Resultat? Spannungsregler.doc Seite 7 / 8 H. Hochreutener, SoE@ZHAW

8 9. Vollständiges Schema mit variabler Last Zeitgesteuert wird am Ausgang ein zweiter Widerstand parallel geschaltet, um die Reaktion der geregelten Schaltung auf Lastsprünge messen zu können. 10. Transientes Verhalten bei Laständerung Oben: Kurvenverlauf mit den Werten aus obigem Schema. Unten: Kurvenvelauf mit optimiertem Regler R31 = 22 kω und C31 = 5.6 nf Eine weitere Verbesserung ist möglich, wenn der Ausgangs-Strom gemessen wird und dadurch über einen zweiten kaskadierten Regler das PWM-Signal schneller korrigiert werden kann. Spannungsregler.doc Seite 8 / 8 H. Hochreutener, SoE@ZHAW