Розроблення та дослідження лабораторного макету для вивчення імпульсних перетворювачів напруги

Abstract

Робота присвячена розробленню та дослідженню лабораторного макету для вивчення імпульсних перетворювачів напруги. Імпульсні перетворювачі – це електронні пристрої, які забезпечують ефективне перетворення електричної енергії з однієї напруги в іншу за допомогою високочастотної комутації. Завдяки своїм характеристикам, такі пристрої широко застосовуються в сучасних джерелах живлення, портативній електроніці, телекомунікаційних системах та енергетичних установках. У роботі детально досліджено принципи роботи підвищувального (boost) та понижувального (buck) перетворювачів з широтно-імпульсною модуляцією (ШІМ). Розглянуто базові режими роботи, типові характеристики та динамічні властивості цих схем. Проведено аналіз переваг імпульсних стабілізаторів напруги у порівнянні з лінійними: до них належать вищий коефіцієнт корисної дії, менші габарити, менші теплові втрати та можливість стабілізації при широкому діапазоні вхідних і вихідних напруг. Основною проблемою, пов’язаною з використанням імпульсних перетворювачів, залишаються втрати енергії, які виникають унаслідок комутаційних процесів, неідеальності електронних компонентів, паразитних елементів плати та впливу навколишнього середовища. Для практичного вивчення характеристик імпульсних перетворювачів було розроблено універсальний лабораторний макет. Макет дозволяє досліджувати як підвищувальний, так і понижувальний режими роботи. Конструкція передбачає зручний доступ до контрольних точок, що дає змогу виконувати вимірювання напруги, струму та форми імпульсів.

У третьому розділі роботи проведено дослідження основних параметрів силових елементів. Експериментальне дослідження підтвердило відповідність теоретичних розрахунків практичним результатам. Проаналізовано регулювальні характеристики, залежність коефіцієнта корисної дії (ККД), динамічного та статичного опору перетворювачів від величини вхідної напруги, а також якість стабілізації вихідної напруги при різних режимах роботи. Об'єкт дослідження – імпульсні перетворювачі напруги постійного струму. Предмет дослідження – характеристики та параметри підвищувального і понижувального імпульсних перетворювачів. Сфера досліджень – проектування та дослідження імпульсних систем електроживлення, аналіз характеристик DC-DC перетворювачів. Мета роботи – розроблення та дослідження лабораторного макету для вивчення імпульсних перетворювачів, аналіз їх характеристик та порівняння отриманих результатів з теоретичними даними.

The thesis is devoted to the development and research of a laboratory model for studying switched-mode power converters. Switched-mode converters are electronic devices that provide efficient conversion of electrical energy from one voltage level to another through high-frequency switching. Due to their characteristics, such devices are widely used in modern power supplies, portable electronics, telecommunications systems, and energy facilities. The study thoroughly investigates the operating principles of boost and buck converters with pulse-width modulation (PWM). The basic operating modes, typical characteristics, and dynamic properties of these circuits are examined. The advantages of switched-mode voltage regulators over linear ones are analyzed, including higher efficiency, reduced size, lower thermal losses, and the ability to stabilize voltage across a wide range of input and output conditions. One of the main challenges in switched-mode converters is energy loss, which occurs due to switching processes, the non-ideal nature of electronic components, parasitic elements on the circuit board, and environmental factors. To enable practical study of converter characteristics, a universal laboratory model was developed. This model allows for the investigation of both boost and buck converter modes. The design provides convenient access to test points, enabling measurement of voltage, current, and pulse waveforms. In the third chapter of the work, a study of the main parameters of the power elements was carried out. The experimental research confirmed the correspondence between theoretical calculations and practical results. The regulation characteristics were analyzed, as well as the dependence of the efficiency coefficient (EFF), dynamic and static resistance of the converters on the input voltage, and the quality of output voltage stabilization under different operating conditions. Object of research – DC switched-mode power converters. Subject of research – Characteristics and parameters of boost and buck switched-mode converters.

Field of research – Design and analysis of switched-mode power supply systems, analysis of DC-DC converter characteristics. Aim of the study – To develop and investigate a laboratory model for studying switched-mode converters, analyze their characteristics, and compare theoretical and experimental results.