Beispielsammlung – DC/DC Konverter – Grundstrukturen

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Beispielsammlung – DC/DC Konverter – Grundstrukturen
Elektrotechnik II
Power Systems Laboratory
Kolloquium Nr. 3
Prof. Dr. G. Andersson
Dreieckgenerator
Im Rahmen dieser Übung soll ein Dreieckgenerator gemäss Abb. 1 dimensioniert werden. Dieser wird
z.B. bei der Modulation von Signalen oder in einfachen Funktionsgeneratoren eingesetzt. Bei der Dimensionierung der Schaltung werden zuerst die einzelnen Teilschaltungen betrachtet und diese dann
anschliessend zur Gesamtschaltung zusammengesetzt. Bei allen Aufgabenpunkten kann angenommen werden, dass die Bauelemente ideal sind und dass die Verstärkung der beiden Operationsverstärker OP1 und OP2 unendlich gross ist.
R2
R3
+UB
+UB
+
+
R4
OP1
R1
-
OP2
uK
uA
Z1
uE
-UB
-UB
Z2
C1
Abb. 1: Dreieckgenerator.
Kenndaten des Dreieckgenerators:
-UB
+UB
UZ
UD
f
Negative Betriebsspannung:
Positive Betriebsspannung:
Zenerspannung:
Durchlassspannung:
Frequenz des Dreiecksignals:
=
=
=
=
=
-15V
+15V
4.4V
0.6V
1kHz
Als erste Teilschaltung (vgl. Abb. 2) wird in den folgenden zwei Aufgabenpunkten nur der Integrator
mit dem OP1 betrachtet. Die Eingangsspannung UE soll dabei 5V betragen.
1)
Lege den Widerstand R1 so aus, dass der Eingangsstrom IE des Integrators 5mA beträgt.
2)
Der Eingangsstrom IE führt zu einer Änderung der Spannung über dem Kondensator. Wie gross
ist die Kapazität C1 zu wählen, damit der Kondensator durch IE innerhalb der Zeitspanne Δt =
1/(2f) = 0.5ms von uA(0) = 10V auf uA(t = Δt) = -10V umgeladen wird? Zeichne den Verlauf der
Ausgangsspannung uA(t) im Zeitraum t = 0 ..1ms in Abb. 5 ein.
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Elektrotechnik II
Power Systems Laboratory
Übung Nr. 3
Prof. Dr. G. Andersson
+UB
+
IE
OP1
R1
uA
-UB
UE
C1
Abb. 2: Integrator mit konstanter Eingangsspannung UE = 5V.
In den nächsten Aufgabenpunkten soll als weitere Teilschaltung der Diskriminator mit dem OP2 betrachtet werden:
3)
Zunächst sollen die beiden Widerstände R2 und R3 mit Hilfe der vereinfachten Schaltung nach
Abb. 3 ausgelegt werden. Die Betriebsspannungen des Operationsverstärkers betragen hier nur
5V. Wie gross sind R2 und R3 zu wählen, so dass der Diskriminator einerseits um Null symmetrische Schwellenwerte von 10V hat, und andererseits die Ströme durch R2 und R3 im Falle UA =
10V und UK` = -5V maximal 10mA betragen?
R3
+ 5V
R2
+
ued
OP2
uA
-
uK
-5 V
Abb. 3: Diskriminator mit reduzierter Versorgungsspannung UB = 5V.
4)
Da die Spannung uA Werte im Bereich von -15V .. +15V annehmen kann (vgl. Abb. 2) und uk` im
Bereich von -5V .. +5V liegt, besteht die Möglichkeit, dass die Eingangsspannung ued am nichtinvertierenden Eingang kleiner bzw. grösser werden kann als die Betriebsspannung des Operationsverstärkers.
Bei vielen realen Diskriminatoren dürfen allerdings keine Eingangsspannungen angelegt werden,
welche die Betriebsspannungsgrenzen unter- oder überschreiten; dies kann zur Zerstörung des
Bauelementes führen. Deshalb wird hier ein Diskriminator nach Abb. 4 eingesetzt, welcher bei
einer höheren Betriebsspannung von 15V arbeitet. Um nun die gewünschte Amplitude der Ausgangsspannung des Diskriminators von 5V zu erhalten, wird die Ausgangsspannung uE des
Diskriminators mit Hilfe zweier Zenerdioden auf 5V begrenzt.
Wie gross ist R4 zu wählen, damit der Ausgangsstrom i4 des OP2 maximal 10mA beträgt?
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Elektrotechnik II
Power Systems Laboratory
Übung Nr. 3
Prof. Dr. G. Andersson
R3
+UB
R2
+
ued
uA
i4
OP2
-
R4
Z1
uK
-UB
uE
Z2
Abb. 4: Diskriminator mit Begrenzung der Ausgangsspannung UE auf 5V.
Im letzten Aufgabenpunkt soll nun die gesamte Schaltung nach Abb. 1 betrachtet werden:
5)
Zeichne in Abb. 6 die zeitlichen Verläufe der Spannungen uA(t), uK(t) und uE(t) wiederum im Zeitraum t = 0..1ms ein, wiederum für die Anfangsbedingung uA(0) = 10V.
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Elektrotechnik II
Power Systems Laboratory
Übung Nr. 3
Prof. Dr. G. Andersson
uA(t)
20 V
uA(0)
10 V
t
0
0.5 ms
1 ms
-10 V
-20 V
Abb. 5: Verlauf der Spannung uA(t) im Zeitraum t = 0 ..1ms mit uA(0) = 10V.
uA(t), uE(t), uK(t)
20 V
uA(0)
10 V
t
0
0.5 ms
1 ms
-10 V
-20 V
Abb. 6: Verlauf der Spannungen uA(t), uK(t) und uE(t) im Zeitraum t = 0 ..1ms mit uA(0) = 10V.
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