Описание источника стабилизированного напряжения
В маломощных источниках постоянного напряжения к выходу фильтра подключается стабилизатор напряжения. На рис. 3 приведена схема маломощного источника стабилизированного напряжения, которое содержит: линейный понижающий трансформатор TX1, мостовую схему выпрямителя (собранную на диодах D1-D4), емкостной фильтр (конденсатор С1) и стандартный стабилизатор напряжения U1, к выходу которого подключена нагрузка R1.
Напряжение сети с амплитудой 311 В задается источником синусоидального напряжения V1, имеющего следующие основные свойства: постоянная составляющая напряжения – VOFF = 0 V; амплитуда напряжения –VAMPL = 311 V; частота синусоидального напряжения – FREQ=50 Hz. Остальные свойства источника V1 зададим равными 0: AC = 0 V, TD = 0 s, DF = 0, PHASE = 0.
Рис. 3. Схема маломощного источника стабилизированного напряжения.
Линейный трансформатор TX1 является понижающим, имеет имя XFRM_LINEAR и хранится в библиотеке ANALOG. Коэффициент трансформации этого трансформатора определяется известным выражением:
Ктр 
где 
– число витков первичной обмотки трансформатора;
– число витков вторичной обмотки трансформатора;
– амплитуда синусоидального напряжения первичной обмотки;
– амплитуда синусоидального напряжения вторичной обмотки.
Квадрат коэффициента трансформации определяется отношением:
Ктр2 
где 
– индуктивность первичной обмотки;
– индуктивность вторичной обмотки;
Для получения стабилизированного напряжения 15 В, примем с запасом 
тогда:
Приняв 
, вычислим :
Резистор R3 c сопротивление 1 Ом включен для учета активного сопротивления первичной обмотки трансформатора, а резистор R2 с большим сопротивлением 200 МОм – для гальванической связи между обмотками трансформатора.
Выпрямитель собран по мостовой схеме на мощных диодах BYT12P-600. Этот тип диода хранится в библиотеке DIODE и имеет следующие основные параметры: максимальный прямой ток IF = 12 А, максимальное обратное напряжение VR = 600 В, максимальная рассеиваемая мощность PDM = 25 Вт.
Стабилизатор LM7815 предназначен для получения стабилизированного напряжения в 15 В, хранится в библиотеке OPAMP и имеет следующие основные параметры: максимальное входное напряжение VINMAX=35 В, напряжение стабилизации Output Voltage =15 В.
Для обычного режима стабилизации на входе и выходе стабилизатора LM7815C включены два конденсатора C2, C3 с рекомендуемыми емкостями 0,33 мкФ и 0,1 мкФ соответственно.
Задание 1. Проведите анализ работы мостового выпрямителя (см. рис.1). Для этого создайте папку с именем Lab_rab4, имеющуюпуть доступа C:\Ivanov\Lab_rab4. Соблюдая изложенное в п. 1 лабораторной работы № 1, создайте проект и дайте ему имя Zadanie1.
Начертите схему, приведенную на рис. 1 и задайте свойства компонентам этой схемы, приведенные в п. 2.
Создайте профиль моделирования с именем «SCHEMATIC1-transient», установив его параметры:
– в поле Run to time введите верхнюю границу интервала времени анализа переходных процессов 0,1 s;
– в поле Start saving data after – 0 s;
– в поле Maximum step size – 0,001 s.
Запустите процесс моделирования и после его окончания в окне модуля Probe отобразите последовательно три диаграммы:
– напряжения на нагрузке – V(R1:1);
– ток в нагрузке – I(R1);
– мощности, рассеиваемой на нагрузке – W(R1).
Активизируйте курсор, щелкнув по кнопке 
– Toggle cursor (Включить / выключить курсор). Определите амплитуды V(R1:1), I(R1) и W(R1). Зафиксируйте их в отчете. Занесите в отчет диаграмму V(R1:1).
Получите диаграммы среднего и действующего значений выпрямленного напряжения V(R1:1). В модуле Probe определенны две стандартные функции: AVG(V(R1:1)) – функция для вычисления среднего значения напряжения и RMS (V(R1:1)) – функция для вычисления действующего значения. Получите диаграмму среднего значения V(R1:1). Для этого щелчком по: <Trace>→ <Add Trace> откройте окно ‘Add Traces’ и в строку Trace Expression введите выражение AVG(V(R1:1)). Заметим, что строка Trace Expression ведет себя как обычный текстовый редактор, курсор которого можно перемещать и устанавливать с клавиатуры в любое место по вашему желанию, а также редактировать введенный текст. Поэтому ввести выражение AVG(V(R1:1)) можно в следующей последовательности:
– щёлкните по имени стандартной функции AVG(), отправив его в строку Trace Expression;
– в строке Trace Expression поместите курсор между скобками этой функции и щёлкните по имени V(R1:1).
Щёлкнув по кнопке OK, посмотрите как выглядит диаграмма среднего значения напряжения.
Аналогично получите диаграмму действующего значения напряжения RMS (V(R1:1)) и занесите её в отчет.
Задание 2. Проведите анализ работы мостового выпрямителя с LC-фильтром (см. рис.2).
Для этого по аналогии с заданием 1:
– создайте проект с именем Zadanie2;
– начертите схему, приведенную на рис. 2, и задайте нужные свойства компонентам схемы;
– создайте профиль моделирования с именем «SCHEMATIC1-transient», с параметрами настройки (приведенными в задании 1);
– запустите процесс моделирования и после его окончания в окне модуля Probe отобразите последовательно четыре диаграммы:
– напряжения источника – V(V1:+) – V(V1:-);
– напряжения на нагрузке – V(R1:1);
– ток в нагрузке – I(R1);
– мощности рассеиваемой на нагрузке -W(R1).
Активизируйте курсор, щелкнув по кнопке – Toggle cursor (Включить / выключить курсор). Определите максимальные значения V(R1:1), I(R1) и W(R1). Зафиксируйте их в отчете. Четыре полученные диаграммы, для наглядности, приведены на рис. 4. Получите и занесите в отчет три диаграммы I(R1), AVG(I(R1)) и RMS(I(R1)).
Задание 3.Проведите анализ работы источника стабилизированного напряжения (см. рис. 3).
Для этого:
– создайте проект с именем Zadanie3;
– начертите схему приведенную на рис. 3 (зная, что компонент LM7815C хранится в библиотеке OPAMP). Свойства трансформатора задайте в следующей последовательности: дважды щелкните левой кнопкой ‘мыши’ по символу TX1. В появившемся окне ‘Property Editor’ введите значение 10 mH в столбец L1_VALUE, а столбец L2_VALUE – 0.0335 mH, затем закройте это окно. Свойства остальных компонентов схемы задайте обычным способом:
– создайте профиль моделирования с именем «SCHEMATIC1-transient», с параметрами настройки (приведенными в задании 1);
– запустите процесс моделирования и после его окончания в окне модуля Probe отобразите последовательно две диаграммы напряжений: V(R1:1), V(C1:1) и диаграмму мощности на нагрузке W(R1). Занесите в отчет три полученные диаграммы.
Выполнение работы
1. Включить ПК и запустить OrCad Capture.
2. Выполните задания 1, 2, 3.
Форма отчетности
Отчет должен содержать:
1. Цель работы и основные положения по пункту 2.
2. При выполнении задания 1:
– амплитуды V(R1:1), I(R1) и W(R1);
– две диаграммы напряжений на нагрузке – V(R1:1) и его действующего значения RMS(V(R1:1)), полученные в результате моделирования.
3. При выполнении задания 2:
– максимальные значения V(R1:1), I(R1) и W(R1);
– три диаграммы токов: I(R1), AVG(I(R1)) и RMS(I(R1)), полученные в результате моделирования;
4. При выполнении задания 3:
– две диаграммы напряжений: V(R1:1), V(C1:1) и диаграмму мощности на нагрузке W(R1).
5. Контрольные вопросы
1. Поясните принцип действия мостового выпрямителя по схеме, приведенной на рис. 1.
2. Как происходит ‘сглаживание’ выпрямленного напряжения в схеме, приведенной на рис. 2?
3. Поясните расчет и задание свойств трансформатора ТХ1.
Литература
1. Хайнеман Р. Визуальное моделирование электронных схем в PSPICE / пер. с нем. М.: ДМК Пресс, 2008. – 336 с.: ил.
2. Забродин Ю. С. Промышленная электроника: Учебник для вузов. М.: Высш. школа, 1982. – 496 с., ил.
Лабораторная работа № 5
Моделирование схем
На операционных усилителях
Цель работы: овладеть приемами и техникой моделирования схем на операционных усилителях; научиться получать характерные диаграммы напряжений и анализировать полученные результаты.
Основные положения