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caratteristiche del circuito nel quale esso sarà inserito, quindi sostanzialmente in relazione a carico ealimentazione.Nel...
Riportiamo di seguito i dati ottenuti nel corso delle tre fasi con gli errori percentuali:                   Grandezza    ...
Ipotesi generaliInnanzitutto è importante la scelta del ciclo di lavoro: esso viene limitato in un intervallo che va dal20...
Circuito SNUBBERSono fondamentali per le prestazioni del circuito le osservazioni fatte dopo l’inserimento delcircuito snu...
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Relazione Laboratorio Elettronica Industriale

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Relazione Laboratorio Elettronica Industriale

  1. 1. Università degli studi di Ferrara – Facoltà di Ingegneria Laboratorio di Elettronica Industriale Dimensionamento, simulazione e implementazione di un convertitore DC/DC Flyback Studente: Sferrazza Giovanni - Gruppo B – Tavolo 3.2L’Obiettivo dell’esperienza di laboratorio è la progettazione di un convertitore switching di tipoFLYBACK.Le tre fasi di lavoro sono state: 1) Dimensionamento Teorico 2) Simulazione 3) Costruzione e TestIl circuito è costituito da: un trasformatore, due interruttori (transistor sul primario, diodo sulsecondario), una capacità di filtro in uscita ed un anello di retroazione per il controllo della tensionedi uscita.FASE 1: Nel dimensionare i componenti del convertitore, sono state utilizzate le relazioni e ivincoli di progetto noti dalla teoria, considerando le prestazioni del dispositivo in funzione delle
  2. 2. caratteristiche del circuito nel quale esso sarà inserito, quindi sostanzialmente in relazione a carico ealimentazione.Nel corso di questa fase preliminare si è anche proceduto al dimensionamento della rete diretroazione.Tale rete è formata da due anelli:uno in tensione per assicurare il valore di tensione di uscita desiderata (FEEDBACK)uno in corrente per reagire più velocemente alle perturbazioni (FEEDFORWARD).Tutti i dati così ottenuti sono stati raccolti nel foglio di calcolo excel sotto riportato.FASE 2: è stato realizzato uno schematico in P-Spice del circuito in modo da confrontare i risultatiottenuti con quelli precedentemente determinati per via teorica, e calcolare così l’errore percentualecommesso.FASE 3: è stato infine realizzato il circuito su Breadboard, servendosi degli opportuni strumenti dimisura per verificare il corretto funzionamento dopo l’implementazione.E’ stato necessario in questa fase assemblare i nuclei di ferrite inserendo gli avvolgimentiall’interno al fine di costruire il trasformatore.Sia il trasformatore che il microcontrollore sono stati testati per individuare rispettivamente:i parametri caratteristici: Induttanza di magnetizzazione, induttanze di leakage, coefficiente diaccoppiamentola forma d’onda d’uscita: onda quadra a frequenza di 50 KHZ, Duty-Cycle del 50%.Si sono infine aggiunti un circuito “Snubber” per ridurre il valore di picco della tensione delMosfet, dovuto ai tempi fisici di accensione-spegnimento del dispositivo, nonché una capacità inparallelo al carico per misurare l’effetto sul ripple della tensione d’uscita. 2
  3. 3. Riportiamo di seguito i dati ottenuti nel corso delle tre fasi con gli errori percentuali: Grandezza Teoria Simulazione Sperimentale V0 5V 4,94 V 5,4 V R 5 5 5,4 P0 5W 4,89 W 5,4W d 0,3 0,31 0,32 N 1 1 1 f 50 KHz 50 48,4 Ta 30 °C 30°C 30 Id_picco_Mosfet 2,3 A 2,28 A 2,31 Vds_picco_Mosfet 17 V 17,5 V 20,1 V I_RMS_Mosfet 0,96 A 0,84 A 0,66 A Perdite Mosfet 0,26 W 0,2 W Tj_mosfet 47 °C 42,4 °C Idiodo 2,3 A 2,27 A 2,14 A Vdiodo 17 V 16,91 V 18,75 V Idiodo_media 1 ampere 0,98 A 0,94 A Perdite Diodo 0,4 W 0,43 W Tj_diodo 54,8 °C 56,6 °C Bpicco 0,21 T N1 12 12 N2 12 12 Lunghezza_filo_primario 573 mm 0,8 Lunghezza_filo_secondario 573 mm 0,8 S_primario 0,2 mm^2 0,5 S_secondario 0,2 mm^2 0,5 Perdite_ferrite 0,7 mW L1 66 uH L2 66 uH IIN 0,52 A 0,46 A 0,59 A eff 80% 88% 76% Vripple 0,25 V 0,39 V 0,22 V MF 87° MG 11,3 dB OSSERVAZIONI SUI RISULTATI OTTENNUTII risultati ottenuti tramite dimensionamento, simulazione tramite p-spice e implementazionepresentano delle discrepanze più o meno accentuate a seconda della grandezza in questione. Percapire dove risiedono i motivi di diversità bisogna innanzitutto partire dalle approssimazioni fatteper semplificare il dimensionamento teorico. 3
  4. 4. Ipotesi generaliInnanzitutto è importante la scelta del ciclo di lavoro: esso viene limitato in un intervallo che va dal20 % all’ 80 % (e comunque mai oltre il 90 %) per evitare situazioni operative di estremadegenerazione ed avere un miglior controllo della variabile ‘d’ che governa appunto il duty cycle.Il rapporto spire del trasformatore è un altro punto nevralgico. Un accoppiamento trasformatoricotroppo sbilanciato verso una delle due porte mi porterebbe a delle grandezze di picco (sia correntiche tensioni) accettabili per un interruttore ma disastrose per l’altro. Si sceglie quindi un rapporto Nuguale a 1, che rende uguali le correnti di picco su entrambi i dispositivi.Differenza tra valori teorici e simulatiLe differenze più rilevanti si hanno in questo caso fra le grandezze relative al transistor, ovvero lacorrente Id RMS e le perdite e conseguentemente anche il ripple in uscita; queste grandezzerisultano lievemente più piccole nel caso della simulazione. Ciò e quasi sicuramente dovuto alleipotesi di caso peggiore che sono state fatte nel dimensionamento teorico, che ci hanno fattoottenere valori fin troppo negativi, mentre la simulazione fa rientrare nella norma questi valori.Le restanti grandezze risultano approssimativamente invariate.Differenze tra valori teorici e misureLe più grandi differenze si hanno fra tutti quelle grandezze che danno in qualche modo una misuradell’energia e della potenza di DISSIPAZIONE: evidentemente la realizzazione fisica del prototiponon può essere approssimabile al caso ideale, in quanto entreranno sempre perdite legate alla nonidealità del trasformatore da noi realizzato, alle perdite sulla breadboard , al riscaldamento globaledel circuito, ecc.In virtù di queste considerazioni, la potenza dissipata nel caso reale aumenta di 0,4 V, comeaumentano la tensione di picco del transistor (+ 2,5 V) e quella del diodo (+1,75 V), e la correnteassorbita dal circuito (+70 mA). Ovviamente la conseguenza principale per il nostro prototipo è unasensibile diminuzione dell’EFFICIENZA, che in virtù di tutte queste perdite passa infatti dal 88%della simulazione al 76% nel caso reale.Precauzioni per il layout del circuitoQueste imperfezioni del circuito reale sono senza dubbio legate alla sua realizzazione fisica e diconseguenza difficilmente eliminabili. Facendo però attenzione alla disposizione degli elementisulla bread board possiamo limitare qualcuno di questi effetti dannosi. Innanzitutto dare unaopportuna distribuzione delle masse a cui collegare i componenti, senza concentrarle in una zonaristretta. In questo modo si evitano pericolose interferenze introdotte dal ritorno a massa dei segnalilungo percorsi troppo vicini o addirittura sugli stessi.Fondamentale è anche la costruzione e il test del trasformatore. Il nucleo deve essere ben chiuso eben avvolto per evitare malfunzionamenti; il risultato è comunque sempre controllabile tramite iltest del valore.Infine è fondamentale che i dispositivi più propensi a riscaldarsi in seguito al passaggio di corrente(come i diodi, le resistenze e le capacità) abbiano intorno a loro uno spazio adatto per ladissipazione verso l’ambiente e non siano a contatto con alcun elemento. 4
  5. 5. Circuito SNUBBERSono fondamentali per le prestazioni del circuito le osservazioni fatte dopo l’inserimento delcircuito snubber. In presenza dei segnali di commutazione degli interruttori, infatti, osserviamo nelcircuito di partenza dei forti picchi di corrente e tensione ai capi degli interruttori. Difatti nelmomento in cui il transistor smette di erogare corrente, questa varia quasi a gradino, provocandouna scarica di tensione molto forte. Lo snubber (‘ammortizzatore’)serve appunto a limitare lebrusche variazioni di corrente e quindi le scariche di tensione. Questi picchi si propagano attraversoil circuito iniziale e si ripropongono in uscita con circa 4 V pp di ampiezza sulla V0, mentre nellestesse condizioni operative ma con l’aggiunta del circuito snubber questa ampiezza si riduce a 2Vpp. I picchi che risultano maggiormente ridotti grazie allo snubber sono quelli in salita, sia per lacorrente che per la tensione negli interruttori.. Un accorgimento che permette di agiremaggiormente sui picchi in discesa è, invece, l’aggiunta di una capacità da 1 microFarad postaproprio sulla porta d’uscita. Le tensioni massima e minima misurate in uscita dopo l’inserimento disnubber e capacità sono rispettivamente 5,84 V e 4,80 V. Il ripple dovuto ai picchi è stato pertantoridotto ad un valore di 1,04 V, all’incirca quattro volte in meno rispetto al valore iniziale.Punti criticiIn conclusione dell’esperienza di laboratorio, possiamo stabilire quali sono i punti a cui prestare piùattenzione nella progettazione del convertitore flyback.All’accensione del circuito le grandezze che davano maggior problemi nel controllo erano lacorrente assorbita dal circuito e i picchi di corrente e tensione. Ciò provocava surriscaldamento sudiodi e resistenze, mentre dal punto di vista delle forme d’onda creavano forte ripple e quindi unabassa efficienza del convertitore. Si è dimostrato quindi importante l’inserimento del circuitosnubber, che come detto ha portato una notevole riduzione nei picchi.Studente:Sferrazza Giovanni 5

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