Versuch EL-V1: Tiefsetzsteller

Versuch EL-V1: Tiefsetzsteller
Inhaltsverzeichnis
1
Einleitung ............................................................................................................................ 2
2
Voraussetzungen und Lernziele .......................................................................................... 2
3
Funktionsweise eines Tiefsetzstellers ................................................................................. 3
4
Sicherheitshinweise ............................................................................................................. 7
5
Schaltbild und Bedienhinweise ........................................................................................... 7
6
Vorbereitungsanleitung und Ausarbeitungsleitfaden ........................................................ 10
7
Versuchsaufgaben ............................................................................................................. 13
8
Parameter des Versuchsstands .......................................................................................... 15
9
Literatur ............................................................................................................................. 15
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1 Einleitung
Für diverse elektrische Anlagen ist es notwendig, aus einer konstanten EingangsGleichspannung eine variable Ausgangsspannung zu generieren. Um eine niedrigere Ausgangsspannung zu erzeugen, kann ein Tiefsetzsteller eingesetzt werden. Die Drehzahlregelung einer Gleichstrommaschine beispielsweise geschieht über die Variation der Ankerspannung. Für den Fall einer anfahrenden Straßenbahn gilt, dass die Motorspannung erhöht werden und Leistung der Maschine zugeführt werden muss, um die gewünschte Beschleunigung
zu erreichen. Es wird eine Schaltung gefordert, die aus der konstanten Fahrdrahtspannung
verlustarm eine niedrigere einstellbare Motorspannung generiert. Diese Anforderungen lassen
sich durch den Tiefsetzsteller realisieren. Andere Bezeichnungen dafür sind Abwärtswandler,
step-down-converter oder buck-converter. Eingesetzt werden sie überall, wo unterschiedlichste Verbraucher mit einer geringeren Betriebsspannung aus einer Quelle mit einer höheren
Gleichspannung versorgt werden. Als weitere Anwendungsbeispiele sind akkubetriebene Geräte wie Handys und Laptops zu nennen.
2 Voraussetzungen und Lernziele
In diesem Versuch wird den Studenten das Funktionsprinzip des Tiefsetzstellers verdeutlicht.
Dazu wird das Wissen der Vorlesungsinhalte „Grundlagen der Energietechnik“ vorausgesetzt.
Der Versuch behandelt und vertieft Themen der Vorlesung „Leistungselektronik“, daher kann
als weiterführende Literatur das Skript dieser Vorlesung verwendet werden. Die Studenten
sollen erkennen, welchen Einfluss Schaltfrequenzen, Bauteilwerte, Aussteuerung und Lastverhalten auf das Betriebsverhalten des Tiefsetzstellers haben. Des Weiteren ist eine Dokumentation zu Beobachtungen und Ergebnissen des Versuches anzufertigen.
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3 Funktionsweise eines Tiefsetzstellers
Abbildung 1: Schaltbild eines Tiefsetzstellers
Eine einfache Form eines Tiefsetzstellers besteht aus einem Transistor, einer Diode, einer
Induktivität und einer Last, welche hier durch einen Widerstand realisiert ist. In den nachfolgenden Betrachtungen werden die Verluste der Halbleiter vernachlässigt. Insofern gelten resultierenden Gleichungen nur für die Annahme idealer Bauelemente. Als Eingangsspannung
dient eine konstante, Innenimpedanz-freie Gleichspannungsquelle mit der Spannung 𝑢1 = 𝑈.
Die Ausgangsspannung 𝑢2 nimmt zwei verschiedene Spannungswerte an, welche vom Schaltzustand des Transistors abhängig sind.
Wenn der Transistor eingeschaltet ist, liegt die Eingangsspannung 𝑈 über der Last und der
Induktivität an. Im Gegensatz dazu liegt keine Spannung an, wenn der Transistor ausgeschaltet ist.
𝑢2 = {
𝑈 , für 0 < 𝑡 < 𝑇ein
0 , für 𝑇ein < 𝑡 < 𝑇
Bei einer konstanten Schaltperiode 𝑇 spricht man von einer Pulsbreitensteuerung (engl. „Pulse
Width Modulation“, PWM). Im Folgenden wird für die relative Einschaltdauer des Transistors das Tastverhältnis 𝑟 (engl. „Duty Cycle“) definiert.
𝑟=
𝑇ein
𝑇
Dieser entspricht bei einem idealen Tiefsetzsteller der Aussteuerung 𝑎, welcher als Mittelwert
der Ausgangsspannung ̅̅̅
𝑢2 bezogen auf die Eingangsspannung 𝑢1 definiert ist.
𝑎=
̅̅̅2
𝑢
=𝑟
𝑈
Es ergibt sich somit eine gepulste Ausgangsspannung 𝑢2 , deren Mittelwert ̅̅̅
𝑢2 sich je nach
Einschaltdauer des Transistors, variieren lässt.
𝑢2 = 𝑎 ⋅ 𝑈
̅̅̅
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Die Induktivität dient in einem Tiefsetzstellers als Energiespeicher, welcher den Stromfluss
während beider Schaltzustände aufrechterhalten soll. Im Fall 0 < 𝑡 < 𝑇ein liegt eine positive
Spannung an der Induktivität an und es wird Energie in der Form eines Magnetfeldes gespeichert. Darüber hinaus kommt es zu einem Anstieg des Stroms, da
𝑢𝐿 = 𝐿 ⋅
𝑑𝑖𝐿
𝑑𝑡
Im Fall 𝑇ein < t < T liegt eine Spannung von 0V an der Induktivität und der Last an. Jedoch
ist im Magnetfeld der Spule weiterhin Energie gespeichert, welche dafür sorgt, dass der
Stromfluss weiterhin aufrechterhalten wird. Da der Transistor sperrt, muss ein alternativer
Pfad für den Strom eröffnet werden. Dieser verläuft über die Diode, welche durch den Strom
in den leitenden Zustand getrieben wird. Die Energie für diesen Stromfluss wird aus dem
Magnetfeld entnommen, welches sich abbaut und zu einem Absinken des Stromes führt. Dieses Wechseln der Strompfade wird Kommutierung genannt. Es gelten somit:
0 < 𝑡 < 𝑇ein , IGBT leitet:
𝑖1 = 𝑖2 , 𝑈CE = 0, 𝑢2 = 𝑈, 𝑖D = 0
𝑇ein < 𝑡 < 𝑇, IGBT sperrt: 𝑖1 = 0, 𝑖D = 𝑖2 , 𝑢2 = 0, 𝑢CE = 𝑈
Die Schaltzelle des Tiefsetzstellers muss zwingend niederinduktiv aufgebaut werden, da sich
in den Zuleitungen zu den Schaltelementen ansonsten aufgrund parasitärer Induktivitäten
während des Schaltvorgangs unerwünscht hohe Spannungen auftreten können, die gemäß der
Grundgleichung einer Induktivität durch schnelle Stromänderungen (d.h. großes 𝑑𝑖L ⁄𝑑𝑡) hervorgerufen werden. Sämtliche Strompfade zwischen dem Eingangskondensator und den
Schaltelementen sind demnach niederinduktiv aufgebaut, sodass fehlerfreies Schalten sichergestellt wird.
Neben dem gewünschten Mittelwert ̅̅̅
𝑢2 ist der Ausgangsspannung stets eine störende Wechselspannungskomponente 𝑢2~ überlagert. Sie treibt eine im Wesentlichen durch die Lastimpedanz bestimmten Wechselstrom. Unter Vernachlässigung eines ohmschen Widerstandes gelten folgende Annahmen:
𝑢𝐿 = 𝑢2~ = 𝑢2 − 𝑢̄ 2
Daraus ergeben sich folgende Laststromänderungen, wenn
a) der IGBT leitet:
𝑑𝑖2 1
1
1
= ⋅ 𝑢𝐿 = ⋅ (𝑈 − ̅̅̅)
𝑢2 = ⋅ 𝑈 ⋅ (1 − 𝑎) > 0
𝑑𝑡
𝐿
𝐿
𝐿
und wenn b) der IGBT sperrt:
𝑑𝑖2 1
1
1
= ⋅ 𝑢𝐿 = ⋅ (0 − ̅̅̅)
𝑢2 = − ⋅ 𝑈 ⋅ 𝑎 < 0
𝑑𝑡
𝐿
𝐿
𝐿
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Im eingeschwungenen Betrieb muss ̅̅̅
𝑢L = ̅̅̅̅
𝑢2~ = 0 und 𝑖2 (𝑇) = 𝑖2 (0) sein, damit der Stromanstieg während der Ladezeit entgegengesetzt gleich dem Stromabfall während der Sperrzeit
des IGBTs ist.
IGBT leitet:
𝛥𝑖+ =
1
1
⋅ 𝑢𝐿 ⋅ 𝑇ein = ⋅ (1 − 𝑟) ⋅ 𝑈 ⋅ 𝑟 ⋅ 𝑇 = 𝛥𝑖
𝐿
𝐿
IGBT sperrt:
1
1
𝛥𝑖− = − ⋅ ̅̅̅
𝑢2 ⋅ (𝑇 − 𝑇ein ) = − ⋅ 𝑟 ⋅ 𝑈 ⋅ (1 − 𝑟) ⋅ 𝑇 = −𝛥𝑖
𝐿
𝐿
Daraus ergibt sich die einfache Geradennäherung (konstantes 𝑑𝑖/𝑑𝑡) aus Abbildung 2. Der
Strom schwankt um ±𝛥 𝑖 ⁄2 um den Mittelwert 𝑖̅.
2 Hierbei sei angemerkt, dass diese Geradennäherung nur für den nicht-lückenden Betriebsfall und für 𝜏 ≫ 𝑇 gültig ist.
Abbildung 2: Zeitverlauf von 𝒖𝟐 , 𝒖L und 𝒊𝟐
Je höher die Schaltfrequenz 𝑓Z = 1⁄𝑇 und die wirksame Induktivität 𝐿 sind, desto geringer ist
die Stromschwankungsweite. Ist 𝛥𝑖 zu groß und kann die Schaltfrequenz wegen der begrenzten Schaltverluste des Transistors nicht entsprechend angehoben werden, wird eine zusätzliche Glättungsdrosselspule 𝐿d im Lastkreis erforderlich, um die Schwankungsweite zu reduzieren.
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Da der Mittelwert der überlagerten Wechselspannung definitionsgemäß Null ist, muss jede
einzelne Halbschwingung unabhängig von ihrem Zeitverlauf betragsmäßig den gleichen Mittelwert besitzen. Für den Gleichrichtmittelwert bedeutet dies:
𝑇ein
𝑇
2
2
𝑢𝐿~ ∣ = ⋅ ∫ 𝑢𝐿 𝑑𝑡 = ⋅ ∫(−𝑢𝐿 ) 𝑑𝑡
∣̅̅̅̅∣
𝑇
𝑇
0
𝑇ein
Überträgt man dieses Ergebnis auf die dem Mittelwert der Gleichspannung überlagerte Oberschwingungsspannung 𝑢2~ = 𝑢L mit der Periodendauer 𝑇 = 1⁄𝑓Z , die vollständig an der
gleichstromseitigen Induktivität 𝐿 abfallen möge, gilt für die Schwankungsbreite 𝛥𝑖 des Ausgangsstroms 𝑖 eines Gleichstromstellers:
𝛥𝑖 =
∣̅̅̅̅∣
1
𝑢2~ ∣ 𝑇
⋅ ∫ 𝑢2~ 𝑑𝑡 =
⋅
𝐿
𝐿 2
Für die Berechnung dieser Stromschwankungsbreite benötigt man also den Gleichrichtmittelwert ∣̅̅̅̅∣
𝑢2~ ∣ der dem Mittelwert der Gleichspannung überlagerten Wechselspannung. Er beträgt
beim Gleichstromtiefsetzsteller:
𝑢2~ ∣ = 2 ⋅ 𝑟 ⋅ (1 − 𝑟) ⋅ 𝑈
∣̅̅̅̅∣
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4 Sicherheitshinweise
Alle in der Sicherheitsbelehrung genannten Vorschriften, Anweisungen und Hinweise sind
strikt zu befolgen. Dieser Versuch verwendet hohe Gleichspannungen und -ströme. Dies hat
zur Folge, dass die Gesundheitsrisiken stark erhöht sind. Im Gegensatz zu Wechselspannungen kommt es bei Gleichspannung zu keiner Selbstlöschung von Lichtbögen im Nulldurchgang. Bei Berührungen gleichspannungsführender Teile kann es zu Verkrampfungen der
Gliedmaßen führen, sodass ein eigenständiges Lösen nicht möglich ist. Die Inbetriebnahme
des Versuchsstandes ist nur unter Aufsicht erlaubt. Vor jeder Änderung des Induktivitätswertes ist der Versuchsstand auszuschalten und den Betreuer um Zustimmung zu bitten. Alle
Messgrößen sind berührgeschützt abgreifbar. Nichtbeachtung von Sicherheitsvorschriften und
Anweisungen führt zum sofortigen Ausschluss von dem Versuch.
5 Schaltbild und Bedienhinweise
Abbildung 3 zeigt das Schaltbild des Versuchsaufbaus einschließlich der Bedienelemente so,
wie Sie es auch am Versuchsstand vorfinden.
Die Eingangsspannung des Tiefsetzstellers wird von einer B2-Brückenschaltung mit kapazitiver Glättung bereitgestellt. Im folgenden Versuch kann sie als konstante Gleichspannungsquelle betrachtet werden.
Die Ausgangsspannung kann zwischen 0 V und 200 V verstellt werden, der maximale DauerLaststrom beträgt 10 A. Die Schaltfrequenz ist auf mehrere diskrete Werte einstellbar. Als
Last dienen mehrere zuschaltbare Halogenlampen. Die Schaltung wird durch einen Mikrokontroller (ATMega16) gesteuert, der den Betriebszustand und die Mittelwerte einiger Messwerte
auf einem LCD anzeigt.
Die Induktivitätsänderungen erfolgen durch Umstecken eines Steckers im ausgeschalteten
Zustand nach Freigabe durch den Betreuer (siehe Sicherheitshinweise).
Machen Sie sich zunächst mit dem Schaltbild vertraut und vergleichen Sie dieses mit dem
entsprechenden Ersatzschaltbild des Tiefsetzstellers. Vollziehen Sie nach, welche Größen
während des Versuchs gemessen werden können.
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Folgende Elemente befinden sich im Block „Steuerung“:

I/O:

Anzeige: Darstellung wesentlicher Größen des Versuches

Anzeigeumschaltung: Ermöglicht den Wechsel zwischen verschiedenen Anzeigen

Reset: Setzt den Mikrocontroller in den Grundzustand zurück

„r“: Einstellung des Tastverhältnisses

„f“: Einstellung der Schaltfrequenzen

Ansteuerfreigabe:
Gibt die Steuersignale des Mikrocontrollers an den IGBT-Treiber frei.
Nur wenn die Freigabe gesetzt ist, arbeitet der Tiefsetzsteller.
Hauptschalter für den Versuchsstand
Aufgrund der Arbeitsgeschwindigkeit des Mikrocontrollers können nur Mittelwerte verarbeitet werden. Diese werden in guter Näherung durch Tiefpassfilterung der Messgrößen angenähert. Diese Werte dienen nur zur Orientierung, alle Messungen im Versuch werden mit Hilfe
des Zweikanal-Digitalspeicheroszilloskops TDS 1001B durchgeführt. Die Zeitverläufe können per Knopfdruck als Grafik auf einem
abgelegt werden. Das Oszilloskop unterstützt nur USB-Sticks mit einer Speicherkapazität kleiner als 2GB. Jeder Student, der über einen solchen USB-Stick verfügt ist angehalten
ihn mit zu bringen. Notfalls stehen Lehrstuhl-USB-Sticks zur Zwischenspeicherung zur Verfügung von denen die Messaufnahmen dann an eigenen Datenträger übertragen werden können. Das Mitbringen eines eigenen Datenspeichers ist also zwingend notwendig.
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Abbildung 3: Schaltbild und Bedienelemente des Versuchs „Tiefsetzsteller“
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6 Vorbereitungsanleitung und Ausarbeitungsleitfaden
Die Vorbereitungsaufgaben sind vor dem Versuch selbstständig zu lösen. Bevor die Versuchsdurchführung beginnt, wird in einem Kolloquium überprüft, ob eine ausreichende Vorbereitung vorliegt. Unzureichend vorbereitete Studenten werden vom Versuch ausgeschlossen, da die angestrebten Lernziele nicht erreicht werden können, sowie ihre Sicherheit und die
der Mitstudenten gefährdet sein könnte.

Alle Vorbereitungsaufgaben sind vor dem Versuch zu bearbeiten und mit dem Praktikumsbericht abzugeben.

Das Kolloquium soll dazu dienen, alle eventuellen Fehler und Fragen zu dem Versuch
zu beseitigen.

Alle Bilder und Skizzen sind ausführlich zu beschriften und müssen bei den entsprechenden Aufgabenpunkten eingefügt werden.

Die Versuchsdurchführung ist bei jeder Versuchsaufgabe zu Beginn kurz zu beschreiben.

Jede dokumentierte Beobachtung und Beschreibung sind kurz zu diskutieren.

Beachten Sie, dass ihr Praktikumsbericht eine wissenschaftliche Ausarbeitung ist und
entsprechende Wortwahl und Form erfordert. Umgangssprachliche Ausdrucksformen
sowie Erlebnisberichte sind nicht zulässig.

Stützen Sie ihre Aussagen auf Fakten und stellen Sie Vermutungen nicht ohne Begründungen auf.

Bei der Zeichnung von Kurvenverläufen sind ausschließlich Ausgleichsgeraden/kurven zulässig.

Zeichnungen sind in ausreichender Größe mit Beschriftung anzufertigen, so dass die
Aussage klar erkennbar ist.

Mit Ausnahme der Vorbereitungsaufgaben ist jede Versuchsaufgabe auf einer neuen
Seite zu bearbeiten.
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Fragen zur Schaltzelle:
6.1. Zeichnen sie das vollständige Ersatzschaltbild eines Tiefsetzstellers und benennen sie
alle relevanten Größen.
6.2. Beschreiben Sie mit wenigen Worten wo während des Schaltvorgangs eine Kommutierung stattfindet. Zeichnen sie dafür die Ersatzschaltbilder des Tiefsetzstellers für den
Fall, dass a) der Transistor eingeschaltet und b) der Transistor ausgeschaltet ist.
Fragen zum Ausgangsverhalten
6.3. Definieren Sie das Tastverhältnis 𝑟 und die Aussteuerung 𝑎. Arbeiten Sie den Unterschied heraus und geben Sie den Zusammenhang zwischen beiden als Gleichung an.
Wie groß ist 𝑢𝑇 im Verhältnis zu 𝑢2 ?
6.4. Skizzieren sie 𝑢D , 𝑖D , 𝑢L , 𝑖L , 𝑢T und 𝑖T , für 𝑎 = 0.25, in das Diagramm 1. Der ohmsche
Widerstand sei hier signifikant kleiner als die Induktivität, ebenso können die Schaltverluste der einzelnen Elemente vernachlässigt werden.
6.5. Bei welcher Aussteuerung tritt die maximale Laststromwelligkeit auf – und warum?
Bitte anhand einer Rechnung und einer Skizze belegen.
6.6. Wie wirkt sich der Wert der Glättungsspule 𝐿 und der Schaltfrequenz 𝑓𝑍 auf die Laststromschwankungsbreite Δ𝑖 aus, und warum?
6.7. Skizzieren Sie den Verlauf der Spannung 𝑢2 und des Laststroms 𝑖2 für zwei Perioden,
basierend auf einer Berechnung.
a) wenn der Einfluss des Lastwiderstands 𝑅 gering gegenüber dem der Glättungsspule 𝐿
ist (𝑅 ≪ 𝐿)
b) wenn der Einfluss des Lastwiderstands 𝑅 den Stromverlauf nennenswert beeinflusst
Stellen sie für die Lösung des Problems eine DGL für ein RL-Glied mit abschnittsweiser, konstanter Spannung für eine Schaltperiode im eingeschwungenen Zustand auf. Beachten sie, dass 𝑇 = 𝑇ein + 𝑇aus beträgt und die Anfangsbedingungen für 𝑇ein und 𝑇aus
jeweils unterschiedlich ausfallen.
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Diagramm 1: Kurvenverläufe aus Aufgabe 6.4
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7 Versuchsaufgaben
Die aus dem Versuch gewonnenen Erkenntnisse sind zu protokollieren, durch Bilder vom
Oszilloskop bzw. Messwerte/Messreihen zu untermauern und in der Ausarbeitung darzustellen. Stellen Sie, wo möglich, einen Bezug zu den Vorbereitungsfragen und den darauf gegebenen Antworten her.
Vergewissern Sie sich, dass vor Beginn des Versuchs die Last mit vier Halogenlampen (d.h.
zwei zugeschaltet) und der größtmöglichen Induktivität eingestellt ist. Änderungen an der
Last und der Induktivität werden gemäß den einzelnen Versuchsaufgaben vorgenommen.
Schalten Sie vor jeder Änderung des Glättungsspulen-Induktivitätswerts den Versuch
aus und bitten Sie den Betreuer um Zustimmung zum Umstecken!
Versuche zur Charakterisierung des Spannungsverhaltens:
7.1. Bestimmen Sie mit Hilfe des Oszilloskops die zu den LCD-Anzeigen „SF1“, „SF2“,
„SF3“ und „SF4“ zugehörigen Schaltfrequenzen.
7.2. Bestimmen Sie durch Messung das Steuerverhalten, indem Sie den Mittelwert der Ausgangsspannung 𝑢2 bei variierendem Tastverhältnis 𝑟 messen. Ändern Sie dazu das
Tastverhältnis in 10% Abständen, also 𝑟 = {𝑟min , 10%, 20%, … , 𝑟max }. Stellen Sie dazu
wieder „SF1“ ein. Vergleichen Sie die Ergebnisse mit den Ergebnissen der Vorbereitung.
Überprüfen Sie den Mittelwert der Ausgangsspannung auf Abhängigkeit vom
strom 𝑖̅2 . Stellen Sie dazu 𝑟 = 25% ein und eine Last mit insgesamt 2 Halogenlampen.
Messen Sie den Mittelwert der Ausgangsspannung bei stetigem Zuschalten einer Halogenlampe (bis insgesamt 10 eingeschalteten Halogenlampen).
7.3. Wählen Sie nun die niedrigste Schaltfrequenz. Bestimmen Sie, in wie weit die Schwankungsbreite der Eingangsspannung, Δ𝑢1 , von der Aussteuerung bzw. dem Laststrommittelwert abhängt. Stellen Sie dazu Zustand A ein, beobachten Sie die Eingangsspannungswelligkeit bei Übergang auf Zustand B (zunächst Erhöhung 𝑟 und anschließend
stufenweise Zuschaltung der Last) und oszillographieren Sie beide Betriebszustände.

Zustand A: 𝑟 = 33% und insgesamt 4 eingeschaltete Lampen

Zustand B: 𝑟 = 66% und insgesamt 6 eingeschaltete Lampen
Versuche zur Charakterisierung des Stromverhaltens:
7.4. Stellen Sie nun die höchste Schaltfrequenz, ein Tastverhältnis1 von 𝑟 und eine Last mit
insgesamt zwei Halogenlampen ein. Oszillographieren Sie den Ausgangsstrom 𝑖2 , den
Transistorstrom 𝑖 𝑇 und den Diodenstrom 𝑖𝐷 auf, beschreiben Sie relevante Zusammenhänge und vergleichen Sie diese mit den Ergebnissen der Vorbereitungsaufgaben.
7.5. Bestimmen Sie mit den Einstellungen aus 7.4 die Schwankungsbreite des
stroms Δ𝑖2 bei Variation des Induktivitätswertes (abnehmend) und oszillographieren Sie
den Laststrom bei jeder Änderung.
1
Vorgabe des Tastverhältnisses 𝑟 durch den Betreuer
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7.6. Bestimmen Sie mit den Einstellungen aus 7.5 (Achtung, nun niedrigster Induktivitätswert) die Schwankungsbreite des Laststroms Δ𝑖2 und den Laststrommittelwert 𝑖̅2 bei
Variation der Schaltfrequenz von „SF1“ bis „SF4“. Oszillographieren Sie den Laststrom
bei jeder Änderung.
Ermitteln Sie anschließend, in wie weit der Mittelwert des Laststroms mit der Mitte des
Schwankungsbereichs übereinstimmt und erklären Sie eventuelle Abweichungen mit
den Erkenntnissen aus der Vorbereitung.
7.7. Stellen Sie nur eine Last mit insgesamt 6 eingeschalteten Halogenlampen ein. Oszillographieren und vergleichen Sie die Zeitverläufe des Laststroms für die Extremfälle a)
geringster Induktivitätswert & niedrigste Schaltfrequenz und b) höchster Induktivitätswert & höchste Schaltfrequenz. (nach wie vor für 𝑟 aus 7.6)
Berechnen Sie die Zeitkonstante 𝜏 = 𝐿⁄𝑅 für die beiden Extremfälle u.a. m.H. von Abbildung 4 und vergleichen Sie die Werte mit der Periodendauer. Diskutieren Sie das Ergebnis unter Hinzunahme der Ergebnisse aus den Vorbereitungsaufgaben.
Versuche zur Charakterisierung der Schaltzelle:
7.8. Stellen Sie nun den größtmöglichen Induktivitätswert, die Schaltfrequenz „SF1“ und
eine Last mit insgesamt 6 Halogenlampen ein. Oszillographieren und diskutieren Sie die
Kommutierung zwischen den beiden Leistungshalbleitern anhand von:

Diodenspannung 𝑢𝐷 und Diodenstrom 𝑖D

Diodenstrom 𝑖D und IGBT-Strom 𝑖T
unter Betrachtung von Stromanstiegszeiten, Überspannung und Dioden-Rückstrom. In
diesem Versuchsteil, der Praxis-Effekte jenseits der im Studium vermittelten Grundfunktionsweisen aufzeigt, wird der Betreuer Sie bei der Erarbeitung der Lernziele unterstützen.
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8 Parameter des Versuchsstands
Bemessungsspannung:
230V / 50Hz
Transformator, sekundär:
150V / 20A, 𝐿𝜎2 = 350µH, 𝑅k,ges = 100m𝛺
Kondensator 𝐶1 :
4,7mF / 350V
Drosselspule 𝐿:
5mH / 55m𝛺 | 10mH / 75m𝛺 | 20mH / 107m𝛺
IGBT:
1200V / 50A, 𝑟T = 20m𝛺, 𝑢T0 = 1,5V
Last 𝑅:
Bemessungsleistung: 3kW
1 bis 12 Halogenstablampen (230V / 50Hz / 500W, Kaltleiterverhalten2), wovon 10 zu- und abschaltbar sind und eine Strom-Spannungs-Charakteristik entsprechend Abbildung 4 aufweisen.
Abbildung 4: Strom-Spannungs-Charakteristik einer Halogenstablampe
9 Literatur
(1)
Skript: „Grundlagen der Energietechnik“
(2)
Skript: „Leistungselektronik“
(3)
Buch: „Mohan / Undeland: Power Electronics“
(4)
IPES-Online-Präsentationen: http://www.ipes.ethz.ch
(5)
Caspoc-Simulationsprogramm: http://www.caspoc.com
2
Das Kaltleiterverhalten lässt den Strom deutlich langsamer sinken, als dies bei einem linearen Widerstand der
Fall wäre, d.h. für die Versuchsdurchführung ein kleiner Vorteil. Die hochtemperaturfesten Lampen ermöglichen
auf Dauer eine Belastung ohne forcierte Kühlung.
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