Praktikum Schaltungstechnik Versuch 2: Schaltregler und Schaltverstärker Prof. Dr. T. Wolf 1 Schaltregler 1.1 Prinzip V Bei hohen Leistungen werden für die Spannungsstabilisierung Schaltregler verwendet. In Bild 1.1 ist das Prinzip eines Abwärtswandlers dargestellt: Pulsspannung mit variabler Pulsdauer Regler (stellt Pulsdauer so ein, dass Uref Ua) Uref 5.1V USt L UG UP IL Potentiometer zum Einstellen der Ausgangsspannung Ia RL C Ua Ua Bild 1.1 Die Gleichrichterspannung UG wird mit einem MOSFET ein- und ausgeschaltet. Dadurch entsteht nach dem MOSFET eine rechteckförmige Pulsspannung UP mit einer Frequenz von typ. 100kHz. Die Höhe der Pulse beträgt bei idealem MOSFET UG, die Spannung zwischen den Pulsen beträgt bei idealer Diode 0. Die Dauer tein der Pulse wird durch die Steuerspannung USt des MOSFETs festgelegt. Diese Pulsspannung wird mit einem LC-Filter gefiltert, dessen Grenzfrequenz so niedrig liegt, dass nur der Gleichanteil der Pulsspannung UP als Ausgangsspannung Ua an den Lastwiderstand RL gelangt. Für diesen Gleichanteil gilt, wenn TS die Periode der Pulsspannung (typ. 10s) ist: Ua t ein UG TS Die Ausgangsspannung kann also bei konstanter Periode TS durch die Pulsdauer tein geregelt werden, ohne dass der MOSFET einen anderen als den voll eingeschalteten oder voll ausgeschalteten Zustand annehmen muss. Dadurch ist ein Wirkungsgrad von über 95% möglich. Die Diode ist eine Freilaufdiode für den Strom in der Induktivität. Belastungsänderungen wirken sich statisch bereits ohne Regler kaum auf die Ausgangsspannung aus (im Idealfall gar nicht). Änderungen der Gleichrichterspannung gehen dagegen auch statisch direkt in die Ausgangsspannung ein und müssen durch einen Regler ausgeglichen werden. Der Regler stellt die Pulsdauer so ein, dass ein Bruchteil der Ausgangsspannung gleich einer Referenzspannung Uref wird. Der Regler kann digital als Mikrocontroller ausgeführt sein oder als analoge Regelschaltung. Im zweiten Fall gibt es integrierte Schaltregler, die den MOSFET, den Taktgenerator, den Regler und Schutzschaltungen gegen Übertemperatur und Überstrom enthalten. 1 TW 19.04.15 Versuch_2.doc Praktikum Schaltungstechnik Versuch 2: Schaltregler und Schaltverstärker Prof. Dr. T. Wolf 1.2 Untersuchung eines integrierten Schaltreglers Wir wollen im folgenden einige Messungen an einem integrierten Schaltregler L296 durchführen, der als Abwärtswandler konfiguriert ist. Da eine Taktfrequenz von 100kHz bei den relativ großen Strömen in einem Steckbrettaufbau erhebliche Probleme verursachen würde, ist der Schaltregler bereits fertig auf einer Platine aufgebaut (Schaltplan s. Anhang). Der Schaltregler L296 ist in der Lage max. 4A bei einer max. Ausgangsspannung von 40V zu liefern. P 1.2.1 Legen Sie die Platine auf das Steckbrett mit den Hochlastwiderständen und stecken Sie die Bananenstecker der Platine in die Buchsen des Steckbrettes (rot: Pluspol der Spannungsversorgung, schwarz: Minuspol der Spannungsversorgung Masse, blau: geregelte Ausgangsspannung). Schließen Sie zwischen der geregelten Ausgangsspannung und Masse einen 10-Hochlastwiderstand (50W) an und ordnen Sie den zweiten 10Hochlastwiderstand (50W) so an, dass er bei Bedarf zum ersten parallel geschaltet werden kann. Verbinden Sie das HAMEG-Netzgerät mit dem Steckbrett und stellen Sie die Versorgungsspannung am Netzgerät (Strombegrenzung: 1.5A) so ein, dass die Spannung UG hinter der Schutzdiode D1 an der Messbuchse B 10V beträgt (s. Schaltplan im Anhang). Messen Sie die Ausgangsspannung Ua mit dem HAMEG-Digitalmultimeter. P 1.2.2 Verbinden Sie nun die BNC-Buchse auf der Platine mit dem Kanal 1 des Oszilloskops und triggern Sie auf Kanal 1. Am Oszilloskop wird nun die Pulsspannung UP nach dem MOSFET und vor dem LC-Filter dargestellt. P 1.2.3 Variieren Sie mit dem Potentiometer P2 die Ausgangsspannung Ua und beobachten Sie am Oszilloskop wie der Regler das Tastverhältnis tein/T verändert, so dass sich jeweils die gewünschte Ausgangsspannung ergibt. Messen Sie die kleinstmögliche Ausgangsspannung und nehmen Sie das zugehörige Oszillogramm der Pulsspannung auf. A 1.2.4 Berechnen Sie den Gleichanteil der aufgenommenen Pulsspannung und vergleichen Sie mit der gemessenen Ausgangsspannung. P 1.2.5 Bestimmen Sie bei der minimal möglichen Ausgangsspannung durch Erniedrigen der Spannung am Netzgerät (Achtung: Die Spannung UG muss dabei wegen der Schutzdiode D1 an der Messbuchse B gemessen werden!) die Drop-Out-Spannung des Reglers. Beobachten Sie beim Verstellen auch das Tastverhältnis am Oszilloskop. P 1.2.6 Stellen Sie die Spannung UG an der Messbuchse B auf 8V bzw. 12V ein und messen Sie dabei jeweils die Spannung Ua. P 1.2.7 Stellen Sie an der Messbuchse B UG 10V ein und notieren Sie den vom Netzgerät abgegebenen Strom. Schalten Sie vorübergehend den zweiten 10-Hochlastwiderstand (50W) parallel und messen Sie die Ausgangsspannung Ua und den vom Netzgerät abgegebenen Strom. A 1.2.8 Berechnen Sie den Stabilisierungsfaktor, den Ausgangswiderstand und den Wirkungsgrad des Reglers. P 1.2.9 Ein Nachteil von Schaltreglern ist, dass die Ausgangsspannung wegen der begrenzten Filterwirkung des LC-Filters noch Reste der 100kHzRechteckspannung enthält. Nehmen Sie die Ausgangsspannung am Kanal 2 mit AC-Kopplung und möglichst hoher Empfindlichkeit auf. 2 TW 19.04.15 Versuch_2.doc Praktikum Schaltungstechnik Versuch 2: Schaltregler und Schaltverstärker Prof. Dr. T. Wolf P 1.2.10 Entfernen Sie den Jumper an einem der beiden Ausgangskondensatoren C4 bzw. C5 und nehmen Sie wieder den Ausgangsripple auf. A 1.2.11 Berechnen Sie die Variation der Ausgangsspannung mit den im Skript angegebenen Formeln für ein LC- und ein LR-Filter. Nehmen Sie dabei für jeden der beiden Ausgangskondensatoren einen ESR von 100m an. Vergleichen Sie die Ergebnisse mit 1.2.9 und 1.2.10. 2 Schaltverstärker 2.1 Prinzip V Das Schaltregler-Prinzip kann auch für Verstärker mit sehr hohem Wirkungsgrad genutzt werden. Dazu wird die feste Referenzspannung durch die Signalspannung Ue ersetzt: Ue Regler (stellt Pulsdauer so ein, dass Ue Ua) VT+ Pulsspannung mit variabler Pulsdauer Spannungsteiler zum Einstellen der Verstärkung USt L IL Ia C UP RL Ua Ua Bild 2.1 Das LC-Filter muss beim Schaltverstärker so dimensioniert werden, dass seine Grenzfrequenz mindestens gleich der höchsten Signalfrequenz fmax ist. Dadurch können die hochfrequenten Anteile bei der Taktfrequenz fS und ihren Vielfachen nicht beliebig stark unterdrückt werden. Da fS aus praktischen Gründen begrenzt ist, schränkt dies auch den nutzbaren Frequenzbereich fmax ein. Im Folgenden soll zunächst ein Schaltverstärker ohne Regler aufgebaut werden. 3 TW 19.04.15 Versuch_2.doc Praktikum Schaltungstechnik Versuch 2: Schaltregler und Schaltverstärker Prof. Dr. T. Wolf 2.2 Pulsweitenmodulation (PWM) V Ohne Regler muss mit einer analogen Schaltung eine periodische Rechteckspannung USt erzeugt werden, deren Tastgrad proportional zur Spannung Ue ist. Dabei ist vorausgesetzt, dass sich die Spannung Ue während einer Periode der Spannung USt nur wenig ändert, d.h. die höchste Frequenz fmax, die in Ue enthalten ist, ist viel niedriger als die Grundfrequenz fS 1/TS der Rechteckspannung. Eine häufig verwendete analoge PWM-Schaltung besteht aus einem Sägezahngenerator und einem Komparator: Ue USZ t Ue USZ USt USt Bild 2.2 t P 2.2.1 Verbinden Sie den Agilent-Pulsgenerator mit dem Kanal 1 des Oszilloskops und stellen Sie eine Sägezahnspannung ein (Ramp, f 100kHz UL 0V, UH 5V, Symmetry 100%, externe Triggerung durch Agilent-PG). P 2.2.2 Bauen Sie die Schaltung gemäß Bild 2.3 auf und legen Sie die Spannung USt an den Kanal 2 des Oszilloskops. Variieren Sie die Spannung Ue und nehmen Sie das Oszillogramm für Ue 1.5V auf: Bild 2.3 10k HAMEGNetzgerät Ue 0...5V Imax0.3A Rpull-up 470 1k LM393 USZ Agilent-PG 4 USt C1 1F HAMEGNetzgerät VT+ 10V Imax0.3A TW 19.04.15 Versuch_2.doc Praktikum Schaltungstechnik Versuch 2: Schaltregler und Schaltverstärker Prof. Dr. T. Wolf 2.3 Ungeregelter Schaltverstärker P 2.3.1 Bauen Sie die Schaltung gemäß Bild 2.4 um und legen Sie die Spannung UP an den Kanal 2 des Oszilloskops. Das Vertauschen der Eingänge am Komparator gleicht die Invertierung durch den MOSFET aus, so dass der Tastgrad von UP wieder proportional zur Spannung Ue ist: Bild 2.4 1k Agilent-PG 470 LM393 10k USZ USt HAMEGNetzgerät Ue 0...5V UP C1 C2 HAMEG1F 47F Netzgerät SPP08 VT+ 10V 470H 100// 100 Ua 4W 10F 1N4148 P 2.3.2 Nehmen Sie das Oszillogramm für Ue 2V auf und messen Sie den Tastgrad D der Spannung UP und die Spannung Ua (Multimeter) für die in der Tabelle angegebenen Werte von Ue: Ue/V 0.5 1 2 2.5 3 4 4.5 D Ua/V A 2.3.3 Tragen Sie die Spannung Ua als Funktion von Ue auf (Übertragungskennlinie). Welchen Zusammenhang erwartet man theoretisch? Wodurch werden die Abweichungen verursacht? P 2.3.4 Verbinden Sie den Toellner-Funktionsgenerator mit dem Kanal 1 des Oszilloskops und stellen Sie eine Sinusspannung ein (f 100Hz UL 1.5V, UH 3.5V, DC-Offset benutzen, Extern triggern durch Toellner-FG). P 2.3.5 Legen Sie die Sinusspannung des Funktionsgenerators als Eingangsspannung Ue über den 10k-Widerstand an den invertierenden Komparatoreingang, legen Sie die Spannung Ua an den Kanal 2 des Oszilloskops und nehmen Sie das Oszillogramm auf: P 2.3.6 Bestimmen Sie die Grenzfrequenz des Schaltverstärkers ( Frequenz, bei der die Amplitude von Ua auf 1 2 ihres Wertes bei niedrigen Frequenzen abgenommen hat. A 2.3.7 Wodurch wird die Grenzfrequenz bestimmt und wie hoch ist sie theoretisch? 5 TW 19.04.15 Versuch_2.doc Praktikum Schaltungstechnik Versuch 2: Schaltregler und Schaltverstärker Prof. Dr. T. Wolf 2.4 Geregelter Schaltverstärker Mit einem OPV kann die Ausgangsspannung Ua auf den Wert der Eingangsspannung Ue geregelt werden. P 2.4.1 Bauen Sie den OPV entsprechend Bild 2.5 ein, erhöhen Sie am ToellnerFunktionsgenerator die Amplitude und den Offset so, dass Ue zwischen 3V und 7V liegt und nehmen Sie das Oszillogramm von Ue und Ua für f 10Hz und f 100Hz auf. RK1 10k VT+ Bild 2.5 CK2 100nF Toellner-FG Ue CK1 100nF TS952 RK2 10k 1k LM393 470 10k USZ Agilent-PG USt UP C1 C2 1F 47F SPP08 470H 1N4148 10F HAMEGNetzgerät VT+ 10V 100// 100 Ua 4W Die Widerstände RK1, RK2 und die Kapazitäten CK1, CK2 sind notwendig, damit die Regelung stabil ist (Frequenzgangkompensation). Ihre Funktion wird im Versuch 3 eingehender untersucht. Ihre Dimensionierung wird in Kap. 3 der Vorlesung besprochen. 6 TW 19.04.15 Versuch_2.doc 17.11.2001 19:39:54 C:\Daten\Eagle\projects\Wi_prakt\Tss\Tiefsetzsteller.sch (Sheet: 1/1)
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