Litar Penukaran Kuasa

iCharge - Malay (Jun 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Litar Penukaran Kuasa

Peranti dan Litar Semikonduktor Diskret


soalan 1

Jangan hanya duduk di sana! Bina sesuatu !!

Belajar menganalisis litar memerlukan banyak kajian dan amalan. Lazimnya, pelajar mengamalkan dengan bekerja melalui banyak masalah sampel dan menyemak jawapan mereka terhadap yang disediakan oleh buku teks atau pengajar. Walaupun ini bagus, ada cara yang lebih baik.

Anda akan belajar lebih banyak dengan sebenarnya membina dan menganalisis litar sebenar, membiarkan peralatan ujian anda memberikan "jawaban" daripada buku atau orang lain. Untuk latihan pembinaan litar yang berjaya, ikuti langkah berikut:

  1. Berhati-hati mengukur dan merekod semua nilai komponen sebelum pembinaan litar, memilih nilai resistor yang cukup tinggi untuk merosakkan komponen aktif.
  2. Lukis gambarajah skematik untuk litar untuk dianalisis.
  3. Berhati-hati membina litar ini pada papan roti atau medium mudah lain.
  4. Periksa ketepatan pembinaan litar, mengikuti setiap wayar ke setiap titik sambungan, dan mengesahkan unsur-unsur ini satu demi satu pada rajah.
  5. Matematik menganalisis litar, menyelesaikan semua voltan dan nilai semasa.
  6. Berhati-hati mengukur semua voltan dan arus, untuk mengesahkan ketepatan analisis anda.
  7. Sekiranya terdapat sebarang kesilapan besar (lebih daripada beberapa peratus), semak dengan teliti memeriksa pembinaan litar anda terhadap gambarajah, kemudian berhati-hati mengira semula nilai-nilai dan mengukur semula.

Apabila pelajar pertama kali belajar tentang peranti semikonduktor, dan kemungkinan besar akan merosakkannya dengan membuat sambungan yang tidak betul dalam litar mereka, saya cadangkan mereka bereksperimen dengan komponen watt besar yang besar (1N4001 dioda membetulkan, TO-220 atau TO-3 transistor kuasa kes, dan sebagainya), dan menggunakan sumber kuasa bateri sel kering dan bukannya bekalan kuasa benchtop. Ini mengurangkan kemungkinan kerosakan komponen.

Seperti biasa, elakkan nilai resistor yang sangat tinggi dan sangat rendah, untuk mengelakkan kesilapan pengukuran yang disebabkan oleh "beban" meter (di hujung tinggi) dan untuk mengelakkan burnout burnout (pada akhir rendah). Saya cadangkan perintang antara 1 kΩ dan 100 kΩ.

Salah satu cara anda boleh menjimatkan masa dan mengurangkan kemungkinan kesilapan adalah dengan memulakan litar yang sangat mudah dan menambahkan secara tambahan komponen untuk meningkatkan kerumitannya selepas setiap analisis, dan bukannya membina litar baru untuk setiap masalah amalan. Satu lagi teknik penjimatan masa adalah untuk menggunakan semula komponen yang sama dalam pelbagai konfigurasi litar yang berbeza. Dengan cara ini, anda tidak perlu mengukur sebarang nilai komponen lebih daripada satu kali.

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Biarkan elektron itu sendiri memberi anda jawapan kepada "masalah praktik" anda sendiri!

Nota:

Telah menjadi pengalaman saya bahawa pelajar memerlukan banyak latihan dengan analisis litar untuk menjadi mahir. Untuk tujuan ini, para pengajar biasanya memberikan pelajar mereka dengan banyak masalah amalan untuk bekerja, dan memberi jawapan kepada pelajar untuk memeriksa kerja mereka. Walaupun pendekatan ini menjadikan pelajar mahir dalam teori litar, ia gagal mendidik mereka sepenuhnya.

Pelajar tidak hanya memerlukan amalan matematik. Mereka juga memerlukan litar bangunan amalan sebenar dan menggunakan peralatan ujian. Oleh itu, saya cadangkan pendekatan alternatif berikut: pelajar perlu membina "masalah amalan" mereka sendiri dengan komponen sebenar, dan cuba meramal secara matematik pelbagai nilai voltan dan semasa. Dengan cara ini, teori matematik "menjadi hidup, " dan pelajar memperoleh kecekapan praktikal yang tidak mereka dapat semata-mata dengan menyelesaikan persamaan.

Satu lagi sebab untuk mengikuti kaedah amalan ini adalah untuk mengajar pelajar kaedah saintifik : proses menguji hipotesis (dalam kes ini, ramalan matematik) dengan melakukan eksperimen yang sebenar. Pelajar juga akan membangunkan kemahiran penyelesaian masalah yang sebenar kerana mereka kadang-kadang membuat kesalahan pembinaan litar.

Luangkan sedikit masa bersama kelas anda untuk mengkaji semula beberapa "peraturan" untuk membina litar sebelum mereka mula. Bincangkan isu-isu ini dengan pelajar anda dengan cara Socratic yang sama yang anda biasanya akan membincangkan soalan-soalan lembaran kerja, dan bukan sekadar memberitahu mereka apa yang patut dan tidak patut dilakukan. Saya tidak pernah terkejut melihat betapa lemahnya pelajar memahami arahan apabila dibentangkan dalam format kuliah tipikal (instruktur monolog)!

Nota kepada pengajar yang mungkin mengadu tentang masa "sia-sia" yang diperlukan untuk membolehkan pelajar membina litar sebenar dan bukan hanya menganalisis litar teori secara matematik:

Apakah maksud pelajar mengambil kursus "panel kerja panel panel lalai" anda?

Soalan 2

Terangkan apa yang dinamik, dan apakah tujuannya dalam sistem elektrik.

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Dynamotor adalah jenis khas mesin elektromekanik yang bertujuan untuk menukar satu bentuk kuasa elektrik ke yang lain, menggunakan medan magnet biasa dan elemen berputar.

Nota:

Jawapan di sini adalah sengaja samar, kerana saya mahu pelajar meneliti butiran diri mereka sendiri.

Soalan 3

Apakah litar penukar DC-DC, dan aplikasi apa yang boleh digunakan oleh litar sedemikian?

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

"Penukar DC-DC" ialah litar yang mengubah voltan DC sama ada atas atau bawah, secara amnya dengan transformasi songsang semasa. Aplikasi termasuk membekalkan kuasa DC untuk memuatkan peranti di mana sumber kuasa utama adalah DC, tetapi voltan yang salah.

Nota:

Dalam kebanyakan kes, penukar DC-DC mendapati penggunaan dalam sistem besar yang tidak direka dengan baik (iaitu dengan tegasan DC yang disediakan oleh litar bekalan AC-DC yang sama). Walau bagaimanapun, litar penukar mempunyai lebih banyak penggunaan yang sah, termasuk aplikasi di mana pengasingan diperlukan di antara dua litar DC. Tanya pelajar anda apa "pengasingan elektrik" adalah mengapa ia penting.

Soalan 4

Litar ini menggunakan IC penjana gelombang 8038 (litar bersepadu) untuk menghasilkan gelombang "gergaji", yang kemudiannya dibandingkan dengan voltan DC pemboleh ubah dari potensiometer:

Hasilnya ialah gelombang nadi ke dasar transistor kuasa, frekuensi yang sama dengan bentuk gelombang gergaji. Biasanya dalam litar seperti ini, kekerapan adalah sekurang-kurangnya beberapa ratus Hertz.

Terangkan apa yang berlaku kepada kecerahan lampu apabila pengelap potensiometer bergerak mendekati + V, dan apabila ia bergerak lebih dekat ke tanah.

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Lampu menyala lebih cerah apabila kitaran duti peningkatan bentuk nadi, dan visa.

Nota:

Persoalan ini adalah semakan yang baik bagi operasi pengendali, dan memperkenalkan konsep kitaran tugas, jika pelajar anda tidak menemuinya sebelum ini. Tanyakan kepada pelajar anda untuk menerangkan bagaimana dan mengapa kitaran tugas berubah sebagai wiper potensiometer bergerak. Mintalah mereka untuk menjelaskan mengapa kecerahan lampu berubah dengan kitaran tugas, dan sama ada atau tidak ini adalah kaedah kawalan kuasa yang cekap atau tidak.

Soalan 5

Litar ini menghasilkan denyut voltan DC yang mencukupi untuk memberi tenaga lampu neon, setiap kali suis dibuka:

Terangkan prinsip operasi untuk litar mudah ini, dan juga bagaimana ia boleh diubah suai untuk menghasilkan kuasa DC voltan tinggi berterusan .

Petunjuk: bagaimanakah litar bekalan kuasa AC-DC biasa menukar denyutan DC yang diperbetulkan menjadi output yang "lancar" DC "# 5"> Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Soalan susulan: bagaimana anda mengesyorkan kami "mengotomatikkan" litar ini supaya seseorang tidak perlu menekan dan melepaskan suis untuk menghasilkan voltan keluaran DC berterusan "nota tersembunyi"> Nota:

Tanyakan kepada pelajar anda untuk menerangkan penyelesaian mereka untuk "mengotomatisasi" tindakan suis. Sediakan diri anda untuk beberapa jawapan kreatif!

Soalan 6

Rajah skematik yang ditunjukkan di sini adalah untuk litar penukar "buck", sejenis litar penukaran kuasa DC-DC "pensuisan":

Dalam litar ini, transistor sama ada sepenuhnya atau sepenuhnya; iaitu, didorong di antara ketepuan tepu atau pemotongan. Dengan mengelakkan mod "aktif" transistor (di mana ia akan menjatuhkan voltan yang besar semasa menjalankan arus), pelesapan kuasa transistor yang sangat rendah dapat dicapai. Dengan sedikit kuasa yang terbuang dalam bentuk haba, litar penukaran kuasa "menukar" biasanya sangat berkesan.

Jejaki semua arahan semasa semasa kedua-dua keadaan transistor. Juga, tandakan kekutuban voltan induktor semasa kedua-dua keadaan transistor.

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Soalan susulan: bagaimana voltan beban penukar ini berkaitan dengan bekalan (bateri) voltan "// www.allaboutcircuits.com/textbook/semiconductors/chpt-3/special-purpose-diodes/"> Dichchky diode digunakan di litar ini, berbanding dengan diod pembetulan biasa (PN)?

Nota:

Tanya pelajar anda mengapa mereka berfikir litar ini dipanggil penukar buck . "Buck" biasanya merujuk kepada sesuatu yang bertentangan. Apa yang ditentang dalam litar ini?

Soalan 7

Rajah skematik yang ditunjukkan di sini adalah untuk litar penukar "rangsangan", jenis litar penukaran kuasa DC-DC "menukar"

Dalam litar ini, transistor sama ada sepenuhnya atau sepenuhnya; iaitu, didorong di antara ketepuan tepu atau pemotongan. Dengan mengelakkan mod "aktif" transistor (di mana ia akan menjatuhkan voltan yang besar semasa menjalankan arus), pelesapan kuasa transistor yang sangat rendah dapat dicapai. Dengan sedikit kuasa yang terbuang dalam bentuk haba, litar penukaran kuasa "menukar" biasanya sangat berkesan.

Jejaki semua arahan semasa semasa kedua-dua keadaan transistor. Juga, tandakan kekutuban voltan induktor semasa kedua-dua keadaan transistor.

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Soalan susulan: bagaimana voltan beban penukar ini berkaitan dengan bekalan (bateri) voltan "nota tersembunyi"> Nota:

Tanya pelajar anda mengapa mereka berfikir litar ini dipanggil penukar rangsangan . "Boost" biasanya merujuk kepada sesuatu yang membantu sesuatu yang lain. Apa yang dibantu dalam litar ini?

Soalan 8

Rajah skematik yang ditunjukkan di sini adalah untuk litar penukar "terbalik", sejenis litar penukaran kuasa DC-DC "menukar"

Dalam litar ini, transistor sama ada sepenuhnya atau sepenuhnya; iaitu, didorong di antara ketepuan tepu atau pemotongan. Dengan mengelakkan mod "aktif" transistor (di mana ia akan menjatuhkan voltan yang besar semasa menjalankan arus), pelesapan kuasa transistor yang sangat rendah dapat dicapai. Dengan sedikit kuasa yang terbuang dalam bentuk haba, menukar "litar penukaran kuasa biasanya sangat berkesan.

Jejaki semua arahan semasa semasa kedua-dua keadaan transistor. Juga, tandakan kekutuban voltan induktor semasa kedua-dua keadaan transistor.

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Nota:

Tanya pelajar anda mengapa mereka berfikir litar ini dipanggil penyongsang terbalik .

Walaupun ia mungkin tidak dapat dilihat daripada skematik litar, litar penukar ini mampu melangkah voltan ke atas atau ke bawah, menjadikannya agak serba boleh.

Soalan 9

Rajah skematik yang ditunjukkan di sini adalah untuk litar penukar "Cuk", sejenis litar penukaran kuasa DC-DC "menukar"

Dalam litar ini, transistor sama ada sepenuhnya atau sepenuhnya; iaitu, didorong di antara ketepuan tepu atau pemotongan. Dengan mengelakkan mod "aktif" transistor (di mana ia akan menjatuhkan voltan yang besar semasa menjalankan arus), pelesapan kuasa transistor yang sangat rendah dapat dicapai. Dengan sedikit kuasa yang terbuang dalam bentuk haba, litar penukaran kuasa "menukar" biasanya sangat berkesan.

Jejaki semua arahan semasa semasa kedua-dua keadaan transistor. Juga, tandakan kedua-dua voltan induktor 'polarities semasa kedua-dua negeri transistor.

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Soalan susulan: bagaimana voltan beban penukar ini berkaitan dengan bekalan (bateri) voltan "nota tersembunyi"> Nota:

Nama "pelik" litar ini berasal dari nama terakhir jurutera yang menciptanya! Untuk maklumat lanjut, rujuk tulisan-tulisan Rudy Severns mengenai topik umum litar penukaran kuasa mod suis.

Soalan 10

Prediksi bagaimana operasi litar penukar buck ini akan terjejas akibat daripada kerosakan berikut. Pertimbangkan setiap kesalahan secara berasingan (iaitu satu pada satu masa, tidak banyak kesalahan):

Litar memandu gagal dengan isyarat keluaran "rendah" (0 volt) yang berterusan:
Litar pemacu gagal dengan isyarat keluaran "tinggi" (+ V) yang berterusan:
Diod gagal:
Induktor gagal membuka:
Kapasitor gagal:

Untuk setiap syarat ini, terangkan mengapa kesan yang dihasilkan akan berlaku.

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Litar memandu gagal dengan isyarat keluaran "rendah" (0 volt) yang berterusan: Voltan keluaran jatuh ke sifar selepas pelepasan kapasitor.
Litar memandu gagal dengan isyarat keluaran "tinggi" (+ V) yang berterusan: Voltan keluaran meningkat menjadi kira-kira sama dengan V.
Diod gagal: Voltan output jatuh ke sifar, maka transistor gagal kerana terlalu panas.
Induktor gagal dibuka: Voltan keluaran jatuh ke sifar selepas pelepasan kapasitor.
Kapasitor gagal: Voltan keluaran jatuh ke sifar dengan segera.

Nota:

Tujuan soalan ini adalah untuk mendekati domain pemecahan litar dari perspektif mengetahui apa yang salah, bukan hanya mengetahui apa gejala. Walaupun ini tidak semestinya perspektif yang realistik, ia membantu pelajar membina pengetahuan asas yang diperlukan untuk mendiagnosis litar yang salah dari data empirikal. Soalan-soalan seperti ini harus diikuti (akhirnya) dengan soalan lain yang meminta pelajar mengenal pasti kemungkinan kesalahan berdasarkan pengukuran.

Soalan 11

Huraikan bagaimana operasi litar penukar rangsangan ini akan terjejas akibat daripada kerosakan berikut. Pertimbangkan setiap kesalahan secara berasingan (iaitu satu pada satu masa, tidak banyak kesalahan):

Litar memandu gagal dengan isyarat keluaran "rendah" (0 volt) yang berterusan:
Litar pemacu gagal dengan isyarat keluaran "tinggi" (+ V) yang berterusan:
Diod gagal:
Induktor gagal membuka:
Kapasitor gagal:

Untuk setiap syarat ini, terangkan mengapa kesan yang dihasilkan akan berlaku.

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Litar memandu gagal dengan isyarat keluaran "rendah" (0 volt) yang berterusan: Voltan keluaran meningkat menjadi kira-kira sama dengan V dalam .
Litar memandu gagal dengan isyarat keluaran "tinggi" (+ V) yang berterusan: Voltan keluaran jatuh ke sifar selepas pelepasan kapasitor.
Diod gagal: Voltan output mempamerkan "riak" yang sangat besar kerana voltan berulang kali jatuh ke sifar dan pancang semula setiap kitaran pemacu, transistor mungkin gagal kerana terlalu panas.
Induktor gagal dibuka: Voltan keluaran jatuh ke sifar selepas pelepasan kapasitor.
Kapasitor gagal: Voltan keluaran jatuh ke sifar dengan segera.

Nota:

Tujuan soalan ini adalah untuk mendekati domain pemecahan litar dari perspektif mengetahui apa yang salah, bukan hanya mengetahui apa gejala. Walaupun ini tidak semestinya perspektif yang realistik, ia membantu pelajar membina pengetahuan asas yang diperlukan untuk mendiagnosis litar yang salah dari data empirikal. Soalan-soalan seperti ini harus diikuti (akhirnya) dengan soalan lain yang meminta pelajar mengenal pasti kemungkinan kesalahan berdasarkan pengukuran.

Soalan 12

Litar pengawal selia yang dipanggil linear berfungsi dengan melaraskan sama ada rintangan siri atau rintangan pancaran untuk mengekalkan voltan keluaran pada beberapa pecahan nilai voltan masukan:

Biasanya, resistensi pembolehubah ini disediakan oleh transistor dan bukannya rheostat sebenar, yang perlu dikawal secara manual.

Terangkan mengapa litar pengawal selia beralih akan melakukan tugas yang sama seperti litar pengatur linier pada kecekapan yang lebih besar. Juga, kenalpasti jenis litar pengatur tukar yang paling sesuai untuk tugas mengurangkan voltan masukan ke voltan keluaran yang lebih rendah.

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Satu litar pengawal selangsang berfungsi dengan hampir sama cara sebagai transformator: melangkah turun voltan semasa melangkah semasa. Sebaik-baiknya, litar pengawal selia bertukar membazir tenaga sifar, tidak seperti (rintangan) litar pengawal selar linear.

Soalan susulan: jenis litar pengawal selar linear yang mengendalikan pengatur volum diod zener tradisional, siri atau shunt "nota tersembunyi"> Nota:

Dalam proses menganalisis kefungsian pengawal selia, mudah bagi pelajar untuk mengabaikan tujuan mengapa mereka wujud sama sekali. Bincangkan kepentingan kecekapan penukaran kuasa, terutamanya untuk aplikasi elektronik yang berkuasa bateri.

Satu perkara penting untuk menekankan dalam soalan ini ialah kebanyakan litar pengawal selia yang mula-mula ditunjukkan kepada pelajar bukanlah pengawal selia sama sekali, tetapi hanya penukar . Litar penukar suis tidak menjadi litar pengawal selia sehingga kawalan maklum balas ditambahkan. Kawalan semacam itu biasanya terlalu rumit untuk diperkenalkan pada mulanya, oleh itu ia biasanya ditinggalkan kerana kesederhanaan. Walau bagaimanapun, pelajar harus sedar perbezaan antara litar pengawal selia beralih dan litar penukar suis yang beralih, supaya mereka percaya penukar mampu lebih daripada itu.

Soalan 13

Ditunjukkan di sini dua litar pengurangan voltan: kedua-dua mengurangkan voltan bekalan 13.5 volt ke 5 volt untuk beban.

Hitung arus bekalan purata ( bekalan saya) untuk kedua-dua litar ini. Anggapkan bahawa litar pensuisan telah kehilangan kuasa yang kecil di dalam transistor, induktor, kapasitor, dan diod. Sekiranya sumber 13.5 volt adalah bateri elektrokimia, bateri akan bertahan lagi dengan kuasa beban yang sama "# 13"> Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Bateri yang membekalkan litar linear mestilah mengandungi 240 mA, manakala bateri yang membekalkan litar pensuisan hanya perlu mengalirkan arus purata 88.9 mA.

Soalan susulan: kirakan kecekapan kuasa litar linear, dan komenkan mengapa ia sangat berbeza dari litar pensuisan.

Nota:

Jelaskan kepada pelajar anda bahawa menukar litar penukaran kuasa adalah sangat cekap: biasanya 85 hingga 95 peratus! Perlu agak jelas bahawa bateri akan bertahan lebih lama, dan mengapa. Inilah sebabnya mengapa menukar litar pengawal selia (penukar DC-DC dengan rangkaian maklum balas untuk menstabilkan voltan keluaran) digunakan sebagai litar pengawal selar linear (berasaskan zener diod) dalam banyak aplikasi elektronik berkuasa bateri.

Pada dasarnya, litar penukar beralih bertindak seperti transformer DC, dapat menurunkan voltan (atau naik), dengan arus berkadar sebaliknya. Sudah tentu, Undang-undang Pemuliharaan Tenaga memegang untuk menukar sirkuit seperti yang dilakukannya untuk transformer, dan para pelajar dapat mencari Undang-undang ini cara paling mudah untuk melakukan perhitungan penawaran / beban saat mengetahui tegangan bekalan dan beban:

P keluar ≈ P dalam

V dalam I dalam ≈ V keluar saya keluar

Jika masa dibenarkan, anda mungkin ingin menunjukkan kepada pelajar anda satu lembar kerja untuk pengawal penukar kuasa, menunjukkan kepada mereka bagaimana litar bersepadu ada untuk mengendalikan peralihan MOSFET untuk litar penukar kuasa seperti ini.

Soalan 14

Voltan output litar penukar buck adalah fungsi voltan input dan kitaran tugas isyarat penukaran, yang diwakili oleh pemboleh ubah D (antara nilai dari 0% hingga 100%), di mana D = ((t pada ) / (t pada + t off )):

Berdasarkan hubungan matematik ini, kirakan voltan keluaran litar penukar ini pada kitaran tugas ini, dengan mengandaikan voltan masukan sebanyak 40 volt:

D = 0%; V keluar =
D = 25%; V keluar =
D = 50%; V keluar =
D = 75%; V keluar =
D = 100%; V keluar =
Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

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

Nota:

Pengiraan untuk litar ini harus sangat mudah.

Perhatikan bahawa elemen pensuisan dalam rajah skematik ditunjukkan dalam bentuk generik. Ia tidak akan menjadi suis mekanikal, tetapi sebaliknya sebagai transistor.

Soalan 15

Voltan keluaran litar penukar rangsangan adalah fungsi voltan input dan kitaran tugas isyarat penukaran, yang diwakili oleh pembolehubah D (dari nilai dari 0% hingga 100%), di mana D = ((t pada ) / (t pada + t off )):

Berdasarkan hubungan matematik ini, kirakan voltan keluaran litar penukar ini pada kitaran tugas ini, dengan mengandaikan voltan masukan sebanyak 40 volt:

D = 0%; V keluar =
D = 25%; V keluar =
D = 50%; V keluar =
D = 75%; V keluar =
D = 100%; V keluar =
Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

D = 0%; V keluar = 40 volt
D = 25%; V keluar = 53.3 volt
D = 50%; V keluar = 80 volt
D = 75%; V keluar = 160 volt
D = 100%; V keluar = 0 volt

Nota:

Pengiraan bagi litar ini haruslah mudah, kecuali pengiraan terakhir dengan kitaran tugas D = 100%. Di sini, para pelajar mesti melihat dengan dekat litar dan bukan hanya mengikut formula secara membuta tuli.

Perhatikan bahawa elemen pensuisan dalam rajah skematik ditunjukkan dalam bentuk generik. Ia tidak akan menjadi suis mekanikal, tetapi sebaliknya sebagai transistor.

Soalan 16

Voltan output litar penukar terbalik adalah fungsi voltan masukan dan kitaran tugas isyarat penukaran, yang diwakili oleh pemboleh ubah D (dari nilai dari 0% hingga 100%), di mana D = ((t pada ) / (t pada + t off )):

Berdasarkan hubungan matematik ini, kirakan voltan keluaran litar penukar ini pada kitaran tugas ini, dengan mengandaikan voltan masukan sebanyak 40 volt:

D = 0%; V keluar =
D = 25%; V keluar =
D = 50%; V keluar =
D = 75%; V keluar =
D = 100%; V keluar =
Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

D = 0%; V keluar = 0 volt
D = 25%; V keluar = 13.3 volt
D = 50%; V keluar = 40 volt
D = 75%; V keluar = 120 volt
D = 100%; V keluar = 0 volt

Nota:

Pengiraan bagi litar ini haruslah mudah, kecuali pengiraan terakhir dengan kitaran tugas D = 100%. Di sini, para pelajar mesti melihat dengan dekat litar dan bukan hanya mengikut formula secara membuta tuli.

Perhatikan bahawa elemen pensuisan dalam rajah skematik ditunjukkan dalam bentuk generik. Ia tidak akan menjadi suis mekanikal, tetapi sebaliknya sebagai transistor.

Soalan 17

Voltan output litar penukar Cuk (dinamakan selepas jurutera yang menciptanya) adalah fungsi voltan masukan dan kitaran tugas isyarat penukaran, yang diwakili oleh pemboleh ubah D (dari nilai dari 0% hingga 100%), di mana D = ((t pada ) / (t pada + t off )):

Berdasarkan hubungan matematik ini, kirakan voltan keluaran litar penukar ini pada kitaran tugas ini, dengan menganggap voltan masukan 25 volt:

D = 0%; V keluar =
D = 25%; V keluar =
D = 50%; V keluar =
D = 75%; V keluar =
D = 100%; V keluar =
Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

D = 0%; V keluar = 0 volt
D = 25%; V keluar = 8.33 volt
D = 50%; V keluar = 25 volt
D = 75%; V keluar = 75 volt
D = 100%; V keluar = 0 volt

Nota:

Pengiraan bagi litar ini haruslah mudah, kecuali pengiraan terakhir dengan kitaran tugas D = 100%. Di sini, para pelajar mesti melihat dengan dekat litar dan bukan hanya mengikut formula secara membuta tuli.

Perhatikan bahawa elemen pensuisan dalam rajah skematik ditunjukkan dalam bentuk generik. Ia tidak akan menjadi suis mekanikal, tetapi sebaliknya sebagai transistor.

Pelajar-pelajar yang mengejutkan akan mendapati bahawa tiada perbezaan antara litar penukar standard pembalik dan reka bentuk Cuk, sejauh pengiraan voltan keluaran berkenaan. Walau bagaimanapun, ini tidak bermakna kedua-dua litar bersamaan dalam semua cara! Satu kelebihan pasti penukar Cuk berbanding penukar penyongsang standard ialah arus input Cuk tidak pernah menjadi sifar semasa kitaran "off" suis. Ini menjadikan litar Cuk sebagai beban "lebih senyap" seperti yang dilihat dari sumber kuasa. Kedua-dua litar penyongsang dan penyesuai membuat banyak bunyi elektrik di sebelah bekalan jika input mereka tidak diisi!

Soalan 18

Persamaan berikut menyelesaikan untuk voltan output pelbagai litar penukar suis (dipunggah), memandangkan kitaran tugas suis D dan voltan input:

V keluar = DV dalam (litar penukar Buck)

V keluar = V dalam


1 - D

(Litar penukar naik)

V keluar = DV in


1 - D

(Penyongsangan atau litar konverter Cuk)

Manipulate setiap persamaan ini untuk menyelesaikan tugas kitaran (D) dari segi voltan masukan (V in ) dan voltan keluaran yang diingini (V keluar ). Ingat bahawa kitaran tugas selalu merupakan kuantiti antara 0 dan 1, termasuk.

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

D = V keluar


V dalam

(Litar penukar Buck)

D = 1 -  V dalam


V keluar

  (Litar penukar naik)

D = V keluar


V dalam + V keluar

(Penyongsangan atau litar konverter Cuk)

Nota:

Memandangkan persamaan bagi jenis litar penukar penyelesaian untuk voltan keluaran dari segi voltan masukan dan kitaran tugas D, soalan ini tidak lebih dari satu latihan dalam manipulasi algebraik.

Perhatikan pelajar anda bahawa semua persamaan ini menganggap keadaan beban sifar pada litar penukar. Apabila beban hadir, tentu saja, voltan keluaran tidak akan sama seperti apa yang diramalkan oleh rumusan yang ringkas dan mudah ini. Walaupun litar penukar kuasa DC-DC ini biasanya dirujuk sebagai "pengawal selia, " ia agak mengelirukan untuk berbuat demikian kerana ia secara palsu membayangkan kapasiti untuk pembetulan sendiri voltan keluaran. Hanya apabila disambungkan ke rangkaian kawalan umpan balik adalah mana-mana litar penukar yang mampu mengawal voltan keluaran dengan nilai yang ditetapkan.

Soalan 19

Banyak litar penukar beralih menggunakan MOSFET beralih sebagai pengganti dioda pemutar bebas, seperti ini:

Diod adalah penyelesaian yang mudah untuk menyediakan induktor sebagai jalan bagi arus ketika transistor utama beralih. Kenapa ada yang menggunakan MOSFET lain sebagai ganti, terutama jika ini bermakna litar pemacu perlu menjadi lebih kompleks (untuk memacu dua transistor pada masa yang berlainan bukan hanya satu transistor) untuk melakukan tugas yang sama "# 19"> Mendedahkan jawab Sembunyikan jawapannya

MOSFET dalam mod yang dipertingkatkan akan menurunkan voltan kurang daripada diod (walaupun diod Schottky) dalam litar ini, meningkatkan kecekapan tenaga.

Nota:

Ia mungkin tidak jelas kepada sesetengah pelajar mengapa kejatuhan voltan yang kurang (merentasi MOSFET berbanding diod) mempunyai kesan ke atas kecekapan penukaran. Ingatkan mereka bahawa kekuasaan adalah sama dengan arus voltan saat ini, dan bagi setiap arus yang diberikan, penurunan voltan yang dikurangkan bermakna kehilangan tenaga yang berkurang. Untuk jalan arus yang mengalir bebas, kurang kuasa kehilangan kuasa kurang kuasa dan kurang kuasa yang dibekalkan oleh sumber (untuk kuasa beban yang sama), oleh itu kecekapan yang lebih tinggi.

Soalan 20

Penukar "rangsangan" yang beroperasi dengan kecekapan 90% menyampaikan 50 volt kepada beban DC. Kirakan arus beban jika voltan masukan adalah 17 volt dan arus input ialah 9.3 amp.

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Saya memuat = 2.85 amps

Nota:

Pengiraan yang melibatkan kecekapan tenaga kelihatan sangat membingungkan kepada sesetengah pelajar. Salah satu prinsip yang sering saya ingatkan pelajar saya adalah Undang-undang Pemuliharaan Tenaga, yang melarang sebarang litar daripada mengeluarkan lebih banyak tenaga (atau kuasa) daripada yang diperlukan. Seringkali, para pelajar salah mengira masalah seperti ini, berakhir dengan kuasa output yang lebih besar daripada kuasa masukan!

Bincangkan teknik penyelesaian masalah, meminta input daripada pelajar anda. Sebaiknya, ada individu atau kumpulan yang mengemukakan teknik mereka ke kelas secara keseluruhan, supaya anda boleh melihat proses pemikiran mereka dan supaya pelajar lain dapat belajar bagaimana untuk menjadi penyelesaian masalah yang lebih baik.

Soalan 21

Penukar penukar "buck" yang beroperasi pada 85% kecekapan menyampaikan 10 amps semasa pada 5 volt ke beban DC. Hitung arus input jika voltan masukan adalah 23 volt.

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Saya input = 2.56 amp

Nota:

Pengiraan yang melibatkan kecekapan tenaga kelihatan sangat membingungkan kepada sesetengah pelajar. Salah satu prinsip yang sering saya ingatkan pelajar saya adalah Undang-undang Pemuliharaan Tenaga, yang melarang sebarang litar daripada mengeluarkan lebih banyak tenaga (atau kuasa) daripada yang diperlukan. Seringkali, para pelajar salah mengira masalah seperti ini, berakhir dengan kuasa output yang lebih besar daripada kuasa masukan!

Bincangkan teknik penyelesaian masalah, meminta input daripada pelajar anda. Sebaiknya, ada individu atau kumpulan yang mengemukakan teknik mereka ke kelas secara keseluruhan, supaya anda boleh melihat proses pemikiran mereka dan supaya pelajar lain dapat belajar bagaimana untuk menjadi penyelesaian masalah yang lebih baik.

Soalan 22

Penukar "rangsangan" yang beroperasi pada kecekapan 80% menyampaikan 178 volt pada 1 amp kepada beban DC. Kirakan voltan input jika arus input adalah 11 amps.

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Input V = 20.2 volt

Nota:

Pengiraan yang melibatkan kecekapan tenaga kelihatan sangat membingungkan kepada sesetengah pelajar. Salah satu prinsip yang sering saya ingatkan pelajar saya adalah Undang-undang Pemuliharaan Tenaga, yang melarang sebarang litar daripada mengeluarkan lebih banyak tenaga (atau kuasa) daripada yang diperlukan. Seringkali, para pelajar salah mengira masalah seperti ini, berakhir dengan kuasa output yang lebih besar daripada kuasa masukan!

Bincangkan teknik penyelesaian masalah, meminta input daripada pelajar anda. Sebaiknya, ada individu atau kumpulan yang mengemukakan teknik mereka ke kelas secara keseluruhan, supaya anda boleh melihat proses pemikiran mereka dan supaya pelajar lain dapat belajar bagaimana untuk menjadi penyelesaian masalah yang lebih baik.

Soalan 23

Voltan output penukar buck adalah fungsi langsung bagi kitaran tugas transistor. Khususnya, V keluar = V dalam (((t pada ) / ( jumlah t)). Terangkan bagaimana litar kawalan PWM berikut mengawal voltan output penukar buck:

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Sekiranya voltan beban (keluaran) mengalir, litar PWM menghasilkan isyarat output dengan kitaran tugas yang lebih besar, yang kemudiannya memacu transistor kuasa untuk memberikan lebih banyak voltan ke beban.

Soalan susulan: apakah maksud potensiometer dalam litar ini "nota tersembunyi"> Nota:

Di sini, pelajar melihat litar kawalan PWM ditambah dengan penukar buck untuk menyediakan penukaran kuasa yang dikawal voltan . Tanya kepada mereka apa bentuk maklum balas (positif atau negatif?) Yang digunakan dalam litar ini untuk mengawal voltan keluaran pada nilai yang mantap.

Biarkan pelajar anda tahu bahawa fungsi PWM dan maklum balas untuk menukar litar pengawal selia sering disediakan dalam litar bersepadu khusus tunggal, bukannya dengan pengumpulan komponen diskret dan IC seperti yang ditunjukkan dalam soalan.

Soalan 24

Kecekapan tenaga (η) bagi litar penukar suis biasanya tetap agak berterusan ke atas pelbagai nisbah penukaran voltan. Terangkan bagaimana litar pengawal selia bertukar (mengawal voltan beban kepada nilai pra-set) "muncul" kepada sumber kuasa menukar voltan jika beban pengawal selia adalah tetap. Dalam erti kata lain, apabila perubahan voltan masukan, apakah input semasa lakukan?

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Arus input bagi pengawal selia beralih adalah berkadar songsang dengan voltan masukan apabila menggerakkan beban berterusan, muncul sebagai impedans negatif kepada sumber kuasa.

Nota:

"Impedance negatif" dan "rintangan negatif" adalah frasa yang tidak boleh ditangani dengan kerap dalam kurikulum elektronik asas, tetapi ia mempunyai akibat penting. Sekiranya pelajar mengalami kesukaran memahami apa maksud impedans "negatif", ingatkan mereka tentang definisi matematik untuk impedans:

Z = dV


dI

Salah satu akibat yang tidak diingini (dan kontra-intuitif) elemen litar dengan impedans negatif boleh menjadi ayunan, terutamanya apabila litar kuasa input berlaku untuk mengandungi induktansi yang besar.

Soalan 25

Litar penukar DC-DC berikut dipanggil penukar ke hadapan . Ia dipanggil ini kerana pemindahan tenaga dari input ke output berlaku semasa transistor sedang menjalankan, bukan semasa ia dimatikan. Sahkan ciri litar ini dengan mengesan semasa melalui semua bahagian semasa transistor dihidupkan:

Kini, surih semasa melalui litar semasa transistor dimatikan, dan jelaskan tujuan penalaan semula dalam pengubah:

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Dalam skema berikut, notasi aliran konvensional telah digunakan untuk menunjukkan arah arus:

Tujuan penggulungan semula adalah untuk menyingkirkan teras pengubah tenaga tersimpan semasa kitaran off. Jika ini tidak dilakukan, paras fluks magnet teras pengubah akan mencapai ketepuan selepas hanya beberapa kitaran hidup / mati transistor.

Nota:

Soalan ini adalah semakan yang hebat mengenai "konvensi dot" yang digunakan dalam simbol skema transformer.

Soalan 26

Walaupun litar bekalan kuasa AC yang mudah "brute-force" (pengubah, penerus, penapis, pengawal selia) masih digunakan dalam pelbagai peralatan elektronik, satu lagi bentuk bekalan kuasa adalah lebih lazim dalam sistem di mana saiz dan kecekapan yang kecil adalah keperluan reka bentuk . Jenis bekalan kuasa ini dipanggil bekalan kuasa pensuisan .

Terangkan bagaimana "bekalan kuasa beralih" adalah, dan menyediakan gambarajah skematik untuk persembahan dan perbincangan. (Petunjuk: kebanyakan komputer elektronik menggunakan bekalan kuasa "bertukar" bukannya bekalan kuasa "kekerasan", jadi rajah skema tidak sepatutnya sukar dicari.)

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Saya akan membiarkan anda melakukan semua penyelidikan untuk soalan ini!

Nota:

Walaupun banyak litar bekalan kuasa "berpindah" akan menjadi terlalu rumit untuk memulakan para pelajar elektronik untuk memahami sepenuhnya, ia masih akan menjadi alat yang berguna untuk menganalisis skema seperti ini dan mengenal pasti komponen utama (dan fungsi).

Tanya pelajar anda kenapa bekalan "kuasa" beralih lebih kecil dan lebih cekap daripada reka bentuk "kekerasan". Tanya pelajar anda untuk perhatikan jenis pengubah yang digunakan dalam menukar bekalan kuasa, dan kontras pembinaannya dengan transformer kuasa frekuensi talian.

Soalan 27

Katakan seorang kawan anda baru-baru ini membeli kenderaan luar jalan. Rakan ini juga membeli sinaran suram ketenteraan, yang difikirkannya akan menjadi aksesori yang hebat untuk pencahayaan luar jalan pada waktu malam. Satu-satunya masalah adalah, perhatian diberi nilai untuk 24 volt, manakala sistem elektrik di dalam kenderaannya adalah 12 volt.

Rakan anda meminta anda untuk jurutera penyelesaian untuk menyalakan lampu 24 volt dengan 12 volt yang terdapat pada kenderaannya. Sudah tentu, anda tidak dibenarkan untuk mengubah suai sistem elektrik kenderaan (mengubahnya menjadi penjana 24 volt, bateri, motor starter, dan sebagainya), kerana ia baru dan masih di bawah jaminan. Apa yang anda cadangkan kepada rakan anda "# 27"> Menerangkan jawapan Sembunyikan jawapan

Walaupun terdapat beberapa kaedah yang berbeza yang boleh digunakan di sini untuk mengubah 12 volt menjadi 24 volt, saya tidak akan mendedahkan mana-mana daripada mereka di sini, supaya saya tidak merosakkan keseronokan untuk anda!

Nota:

Pelajar mungkin cenderung memberi jawapan mudah kepada masalah ini ("menggunakan penukar DC-DC!"), Tetapi tujuannya adalah untuk pelajar meneroka penyelesaian di peringkat komponen . Walaupun mereka masih belum memahami bagaimana litar berfungsi, mereka sepatutnya dapat mencari penyelesaian lengkap dalam penyelidikan mereka, atau skema sekurang-kurangnya cukup untuk bahagian-bahagian proses penukaran bagi mereka untuk membuat penyelesaian lengkap.

Ingatkan murid-murid anda bahawa ini adalah perhatian yang kuat yang mereka harus berkuasa! Sistem penukaran mereka mungkin perlu mengendalikan ratusan watt.

Soalan 28

Huraikan tujuan dan fungsi litar ini:

Output 120 volt AC yang disediakan oleh litar ini pasti tidak sinusoidal, dan kekerapan litar berbeza-beza dengan beban. Bolehkah anda memikirkan apa cara untuk memperbaiki aspek litar ini (anda tidak perlu menunjukkan butiran modifikasi reka bentuk anda) "# 28"> Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Ini adalah litar penyongsang .

Bersedia untuk menjelaskan apa yang setiap transistor lakukan, dan bagaimana pengubah dapat berfungsi dengan kuasa DC pada penggulungan utamanya.

Nota:

Skema khusus ini diperoleh daripada aplikasi pengubah jenama Triad, bahagian nombor TY-75A. Transistor yang disyorkan ialah Delco 2N278, Bendix 2N678, Clevite 2N1146, dan Delco 2N173. Variasi sedikit dalam saiz perintang dan kapasitor boleh menyebabkan prestasi yang lebih baik. Resistor 3 Ω perlu mempunyai penarafan kuasa sekurang-kurangnya 5 watt setiap satu, dan perintang 150 Ω perlu dinilai untuk sekurang-kurangnya 20 watt setiap satu.

Soalan 29


∫f (x) dx Kalkulus isyarat!


Litar penukaran kuasa elektronik yang dikenali sebagai penyongsang menukarkan DC ke AC dengan menggunakan elemen pensuisan transistor untuk membalikkan voltan voltan DC secara berkala. Biasanya penyongsang juga meningkatkan tahap voltan kuasa input dengan menggunakan voltan beralih-DC ke penggulungan utama pengubah langkah-langkah. Anda mungkin memikirkan elektronik beralih penyongsang sepadan dengan dua tiang, suis baling dua kali dibalik dan sebentar banyak kali sesaat:

Inverter pertama yang diperolehi secara komersial menghasilkan output gelombang persegi mudah:

Walau bagaimanapun, ini menyebabkan masalah untuk kebanyakan kuasa transformer yang direka untuk beroperasi pada kuasa AC gelombang sinus. Apabila dikuasakan oleh output gelombang persegi penyongsang sedemikian, kebanyakan transformer akan hibrida kerana aliran magnetik yang berlebihan yang terkumpul di teras pada titik tertentu kitaran gelombang. Untuk menggambarkan ini dalam terma yang paling mudah, gelombang persegi mempunyai produk volt-kedua yang lebih besar daripada gelombang sinus dengan amplitud puncak dan frekuensi asas yang sama.

Masalah ini dapat dielakkan dengan mengurangkan voltan puncak gelombang persegi, tetapi beberapa jenis peralatan berkuasa akan mengalami kesulitan kerana voltan yang tidak mencukupi (maksimum):

Penyelesaian yang dapat dilaksanakan untuk dilema ini ternyata menjadi kitaran duti yang diubahsuai bagi gelombang persegi:

Hitung pecahan kitaran separuh yang mana gelombang persegi diubah suai ini "hidup, " untuk mempunyai produk voltan kedua yang sama sebagai gelombang sinus untuk setengah kitaran (dari 0 hingga π radian):

Petunjuk: ini adalah perkara untuk mengira kawasan masing-masing di bawah setiap bentuk gelombang dalam domain separuh kitaran.

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Fraksi = (2 / (π)) ≈ 0.637

Soalan cabaran: membuktikan bahawa pecahan kitaran tugas yang diperlukan untuk gelombang persegi mempunyai nilai RMS yang sama seperti gelombang sinus adalah tepat 1/2. Petunjuk: produk voltan dua kuasa kedua-dua bentuk gelombang mesti sama dengan nilai RMS mereka untuk sama!

Nota:

Masalah ini adalah contoh hebat bagaimana integrasi digunakan dalam erti kata yang sangat praktikal. Walaupun pelajar anda tidak dikenali dengan kalkulus, mereka sekurang-kurangnya dapat memahami konsep produk volt-sama yang sama untuk kedua-dua bentuk gelombang dan dapat mengaitkannya dengan jumlah fluks magnet yang terkumpul di teras pengubah sepanjang kitaran .

Soalan 30

Topologi umum bagi litar penukar kuasa DC-AC menggunakan sepasang transistor untuk menukar arus DC melalui penggulungan tengah-tapping dari pengubah langkah-langkah, seperti ini:

Agar bentuk litar berfungsi dengan betul, isyarat transistor "menembak" mestilah disegerakkan dengan tepat untuk memastikan kedua-duanya tidak pernah dihidupkan serentak. Gambar rajah skematik berikut menunjukkan litar untuk menghasilkan isyarat yang diperlukan:

Terangkan bagaimana litar ini berfungsi, dan mengenalpasti lokasi kawalan frekuensi dan potensiometer kawalan kitaran denyut nadi.

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Rajah masa adalah bernilai seribu perkataan:

V ref = voltan rujukan voltan yang ditetapkan oleh kitaran kitaran tugas
V cap = Voltan diukur pada terminal atas kapasitor 555
V comp = Voltan output komparator
V 555 (keluar) = 555 voltan keluaran pemasa
Q = Output JK flip-flop yang tidak ditarik balik
(Q) = Keluaran terbalik JK flip-flop

Persoalan susulan: hala tuju yang mana anda perlu mengalihkan potensiometer frekuensi untuk meningkatkan kekerapan output litar ini "nota tersembunyi"> Nota:

Persoalan ini adalah latihan dalam rajah skematik dan tafsiran rajah masa. Dengan cara ini, saya telah membina dan menguji litar ini dan saya boleh mengatakan ia berfungsi dengan baik.

  • ← Lembaran Kerja Sebelumnya

  • Indeks Lembaran Kerja

  • Lembaran kerja seterusnya →