Leistungselektronische Systeme 1 Potenzialfreie Ansteuerung eines

Leistungselektronische Systeme 1
Professur für Leistungselektronik
und Messtechnik
Übung Nr. 2
Prof. Dr. J.W. Kolar
Name, Vorname
Testat
Potenzialfreie Ansteuerung eines Leistungs-MOSFETs
Ausgehend vom Bezugspotenzial GND des Signalelektronikteiles eines leistungselektronischen Systems soll ein Leistungs-MOSFET potenzialfrei angesteuert werden. Die zur Verfügung stehende Versorgungsspannung beträgt +14V. Eine entsprechende Schaltung mit getrennter Übertragung der Ansteuerenergie und Ansteuerinformation ist in Fig.1 gezeigt.
Um eine positive und einen negative Ansteuerspannung zu erzeugen, wird durch einen TimerBaustein NE555 ein Rechtecksignal mit einem Tastverhältnis von D = 0.3 erzeugt (Ausgang Pin 3)
und über einen Serienkondensator CK an die Primärwicklung eines Übertragers gelegt. Die Sekundärwicklung des Übertragers ist über die Dioden D1 und D2 mit den Glättungskondensatoren C2 und
C3 verbunden. Dabei liegt an C2 die positive Ansteuerspannung U1 und an C3 die negative Ansteuerspannung U2 an.
Die Spannungen U1 und U2 dienen zur Versorgung eines integrierten Ansteuerbausteines TLP250,
welcher ausgangsseitig eine Gegentaktstufe besitzt und eine Potenzialtrennung der Ansteuerinformation über Optokoppler integriert (Eingangsdiode des Optokopplers zwischen Pin 2 und Pin 3).
Für die Erfüllung der Testatbedingung sind die Fragen 1 – 5 zu lösen.
14V
R1
8
7
R2
6 2
4
NE555
Timer
Transformator
D2
IL
3
8
Ck
+
1
GND
N1
N2
D1
U1
C2
C1
+
C3
RG
TLP 250 7
Gate- Drive
Photo-IC
Coupler
2
U2
5V
RD
3
5
Potenzialtrennung
Microcontroller
ID
Fig. 1 – Versorgung des Gate-Drive Photo-IC Couplers TLP250
Gegeben:
Laststrom (Konstant)
Schaltfrequenz
Tastverhältnis
IL = 0.03A
f = 120 kHz
D = 0.3
1) Dimensionieren Sie die Beschaltung des Timerbausteines (R1, R2 und C1) mit Hilfe des angehängten Auszuges aus dem Datenbaltt des ICs NE555 derart, dass am Ausgang eine Rechteckspannung mit einer Frequenz von f = 120kHz mit Tastverhältnis D = 0.3 auftritt.
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Leistungselektronische Systeme 1
Prof. Dr. J.W. Kolar
Übung Nr. 2
2) Wie hoch ist der Mittelwert der an CK auftretenden Spannung? Welche physikalische Richtung
weist die Spannung auf?
3) Der Übertrager weise ein Windungszahlverhältnis N1/N2 = 14/20, eine Primärinduktivität von Lm =
750μH und eine Streuinduktivität von Lσ = 8μH (Primärinduktivität bei kurzgeschlossener Sekundärwicklung) auf. Skizzieren Sie den Verlauf des Stromes in der Sekundärwicklung für stationären
Betrieb, wenn die Spannungen U1 und U2 als konstant (ideal geglättet) angenommen werden können. Der Leistungsbedarf des Ansteuerbausteines kann vereinfacht durch eine zwischen U1 und U2
liegende Konstantstromquelle IL repräsentiert werden.
Anmerkung: Auf das Verhalten der Schaltung haben der Ausgangswiderstand RA≈10Ω des Timerbausteines, die Flussspannungen und die Rückwärtserholströme der Dioden D1 und D2 ebenfalls
Einfluss. Im Sinne einer Vereinfachung der Überlegungen sollen diese Grössen bis auf einen konstanten Flussspanungsabfall an den Ausgangssdioden von UF = 0.6V jedoch vernachlässigt werden. Ersetzen Sie den Übertrager durch ein auf die Sekundärseite bezogenes Ersatzschaltbild ohne Potenzialtrennung mit eingangsseitiger Magnetisierungsinduktivität und nachgeordneter Streu2
induktivität. Dabei können die Bauelemente vereinfacht mittels einer Multiplikation mit (N2/N1) von
der primär- auf die sekundärseite transformiert werden.
4) Welche Spannungen U1 und U2 (ideal geglättet) stellen sich ein, wenn IL= 0.03A beträgt? (der sekundärseitige Stromverlauf kann durch rechtwinkelige Dreiecke angenähert werden). Wie hoch
sind die Spitzenwerte (positiv und negativ) des Sekundärstromes? Wie hoch ist der Spitzenwert
des Magnetisierungsstromes ILm?
5) Wie ist CK näherungsweise zu wählen, damit die Spannungsschwankung ΔUCK,pp kleiner 0.1V
bleibt? Bei den Berechnungen können Sie wie bei A4 von einem rechtwinkligem Stromverlauf ausgehen (d.h. für die Berechnung des Stromverlaufes sei UCK konstant.). Zudem soll der Magnetisierungsstrom bei der Berechnung vernachlässigt werden.
6) Wie sind C2 und C3 zu wählen, damit die Versorgungsspannungen U1 und U2 jeweils eine Schwankung (Spitze-Spitze) ausweisen, welche kleiner ist als 0.1V?
7) Welche Spannungszeitfläche muss der Magnetkern des Übertragers aufnehmen können? Wie
hoch ist bei einer zulässigen magnetischen Aussteuerung von Bmax = ±0.2T das benötigte Produkt
von Primärwindungszahl N1 und Eisenkernquerschnitt AE?
8) Die Leuchtdiode des Optokopplers wird durch eine 5V-Logik (Ausgang eines Mikrocontrollers) angesteuert. Wie hoch ist der Serienwiderstand RD zu wählen, um einen Diodenstrom von ID = 10mA
einzustellen. Der Spannungsabfall über der LED des Optokopplers sei dabei UF,Opto = 1.8V.
Daten der Bauelemente sind folgenden Datenblättern entnommen:
-
Timerbaustein: NE555 von SGS-Thomson (www.st.com bzw.
http://www.st.com/stonline/books/pdf/docs/2182.pdf)
-
Kern für Übertrager: EP7 von Epcos (www.epcos.com bzw.
http://www.epcos.com/inf/80/db/fer_01/02770280.pdf)
-
Ansteuerbaustein: Integrierter Gate-Treiber TLP 250 von Toshiba (www.toshiba.com bzw.
http://www.toshiba.com/taec/components/Datasheet/TLP250.pdf)
NE555
SA555 - SE555
GENERAL PURPOSE SINGLE BIPOLAR TIMERS
■ LOW TURN OFF TIME
■ MAXIMUM OPERATING FREQUENCY
GREATER THAN 500kHz
■ TIMING FROM MICROSECONDS TO
HOURS
■ OPERATES IN BOTH ASTABLE AND
N
DIP8
(Plastic Package)
MONOSTABLE MODES
■ HIGH OUTPUT CURRENT CAN SOURCE
OR SINK 200mA
■ ADJUSTABLE DUTY CYCLE
■ TTL COMPATIBLE
■ TEMPERATURE STABILITY OF 0.005%
PER°C
D
SO8
(Plastic Micropackage)
DESCRIPTION
The NE555 monolithic timing circuit is a highly stable controller capable of producing accurate time
delays or oscillation. In the time delay mode of operation, the time is precisely controlled by one external resistor and capacitor. For a stable operation as an oscillator, the free running frequency
and the duty cycle are both accurately controlled
with two external resistors and one capacitor.
PIN CONNECTIONS (top view)
The circuit may be triggered and reset on falling
waveforms, and the output structure can source or
sink up to 200mA.
1
8
2
7
3
6
4
5
ORDER CODE
Package
Part Number
NE555
SA555
SE555
Temperature Range
0°C, 70°C
-40°C, 105°C
-55°C, 125°C
N
D
•
•
•
•
•
•
N = Dual in Line Package (DIP)
D = Small Outline Package (SO) - also available in Tape & Reel (DT)
June 2003
1
2
3
4
- GND
- Trigger
- Output
- Reset
5 - Control voltage
6 - Threshold
7 - Discharge
8 - Vcc
1/9
NE555-SA555-SE555
Figure 14 shows actual waveforms generated in
this mode of operation.
The charge time (output HIGH) is given by:
t1 = 0.693 (R1 + R2) C1
and the discharge time (output LOW) by:
t2 = 0.693 (R2) C1
Thus the total period T is given by:
T = t1 + t2 = 0.693 (R1 + 2R2) C1
The frequency of oscillation is then:
1
1.44
f = --- = ---------------------------------------T
(R1 + 2 R2)C1
may be easily found by figure 15.
The duty cycle is given by:
R2
D = -------------------------R1 + 2R2
Figure 11 :
t = 0.1 ms / div
INPUT = 2.0V/div
OUTPUT VOLTAGE = 5.0V/div
CAPACITOR VOLTAGE = 2.0V/div
R1 = 9.1kΩ, C1 = 0.01µF, RL = 1kΩ
Figure 12 :
Figure 14 :
t = 0.5 ms / div
C
(µF)
10
10
M
0.1
Ω
R
10
k
1=
1.0
Ω
10
0k
Ω
1M
Ω
1k
Ω
OUTPUT VOLTAGE = 5.0V/div
0.01
0.001
10
µs
100
µs
1.0
ms
10
ms
100
ms
10
s
(t d )
CAPACITOR VOLTAGE = 1.0V/div
R1 = R2 = 4.8kΩ, C1= 0.1µF, RL = 1kΩ
ASTABLE OPERATION
When the circuit is connected as shown in figure
13 (pin 2 and 6 connected) it triggers itself and
free runs as a multi vibrator. The external capacitor charges through R1 and R 2 and discharges
through R2 only. Thus the duty cycle may be precisely set by the ratio of these two resistors.
In the astable mode of operation, C1 charges and
discharges between 1/3 VCC and 2/3 VCC. As in
the triggered mode, the charge and discharge
times and therefore frequency are independent of
the supply voltage.
Figure 15 : Free Running Frequency versus R1,
R2 and C1
C
(µF)
10
1.0
R
1
1k
Ω
10
kΩ
+
0.1
0.01
Figure 13 :
0.001
0.1
VCC = 5 to 15V
R1
8
4
Output
3
7
NE555
Control
Voltage
0.01µF
6/9
R2
6
5
1
2
C1
1
R2
1M
=
10
M
10
10
0k
Ω
Ω
Ω
100
1k
10k
f o (Hz)