Источники вторичного электропитания

Проектирование, моделирование и анализ

Электронных схем на компьютере

Методические указания к индивидуальным занятиям

и курсовой работе по курсу "Электроника"

для студентов специальностей 220100, 210200, 120100

Тверь, 2003

В работе представлены методики расчета вторичных источников питания электронных схем, активных фильтров низких и высоких частот второго порядка; усилителей мощности. Дана также методика моделирования и анализа полученных схем на компьютере с использованием пакета Electronics Workbench.

Методические указания утверждены на заседании кафедры ЭВМ и рекомендованы к печати (протокол № 6 от 5 марта 2003 года).

Составители: А.Л. Семенилкина, Н.П. Бакуров, А.Р. Хабаров.

ÓТверской государственный

технический университет, 2003 г.

Оглавление

Введение................................................................................................. 4

1. Источники вторичного электропитания........................................... 5

1.1. Задание........................................................................................ 9

1.2. Методика расчета и исследования на компьютере.................. 10

2. Активные фильтры.......................................................................... 12

2.1. Задание...................................................................................... 15

2.2. Методика расчета ФНЧ и ФВЧ второго порядка и исследования на компьютере................................................................................................ 16

3. Усилители мощности....................................................................... 18

3.1. Задачи расчета.......................................................................... 23

3.2. Методика расчета двухтактного бестрансформаторного усилителя мощности.................................................................................................................... 24

Приложение 1...................................................................................... 30

Приложение 2...................................................................................... 31

Библиографический список................................................................. 38

Введение

Электроника принадлежит к той области естественных наук, в которой процесс познания требует неразрывной связи теоретического анализа и экспериментальных исследований. На сегодняшний день существует реальная и доступная возможность проведения широкого спектра экспериментальных исследований схем с помощью компьютера. Разработано большое число программ моделирования электронных схем, но большинство из них требуют серьезной предварительной подготовки пользователя и наличия у него специальных знаний. Значительное расширение круга пользователей возможно лишь тогда, когда процесс моделирования будет максимально приближен к реальному эксперименту. В этом случае человек, осуществляя естественную последовательность таких операций, как сборка схемы, подключение к ней измерительных приборов, задание параметров генераторов входных воздействий и установка режимов на панелях измерительных приборов, получал бы результаты измерений в привычной для него форме.

Система моделирования и анализа электрических схем Electronics Workbench позволяет практически реализовать идею использования виртуальной лаборатории на компьютере. Программа Electronics Workbench (E.W) позволяет моделировать аналоговые, цифровые и цифро-аналоговые схемы большой степени сложности. Имеющиеся в программе библиотеки включают в себя большой набор широко распространенных компонентов (пассивные элементы, транзисторы, источники питания, индикаторы, логические элементы, триггеры, цифровые и аналоговые элементы, специальные комбинационные и последовательные схемы). В программе используется большой набор приборов для проведения измерений: амперметр, вольтметр, осциллограф, мультиметр, Боде-плоттер, функциональный генератор, генераторов слов, логический анализатор и логический преобразователь. Все приборы изображаются в виде, максимально приближенном к реальному, поэтому работать с ними просто и удобно.

Результаты моделирования можно вывести на принтер или импортировать в текстовый или графический редактор для их дальнейшей обработки.

Программа E.W. совместима с программой P-SPICE.

Для установки программы E.W. (версия 5.12) необходимы:

– IBM-совместимый с модификацией процессора не ниже 486;

– не менее 4 МВ свободного пространства на жестком диске;

– операционная система Microsoft Windows 98.

Подробные сведения о пакете и методике проведения исследования схем изложены в книге "Электротехника и электроника в экспериментах и упражнениях" (практикум на E.W) [1]. В рамках предлагаемого методического пособия изложены методики расчета источников вторичного электропитания (1 раздел) и активных фильтров (второй раздел), моделирования проектируемых схем на компьютере и исследования их работы.

В третьем разделе рассматривается методика графо-аналитического расчета усилителей мощности.

Источники вторичного электропитания

Источники вторичного электропитания (ИВП) — электронные устройства, предназначенные для преобразования энергии первичного источника электропитания (промышленной сети переменного тока, либо автономных источников переменного или постоянного тока) в электрическую энергию, значения частоты, уровня и стабильности которой согласованы с требованиями, предъявляемыми к этим параметрам конкретными электронными устройствами (ЭУ) и системами.

Современные ЭУ выполняются с использованием интегральных схем (ИС), требующих для своего питания постоянного напряжения низкого уровня (как правило, ±5... ±15 В). При этом отклонения этого напряжения от заданного значения не должны превышать ± (5...10)%. В ряде случаев, например, при питании прецизионных аналоговых устройств или АЦП и ЦАП, стабильность напряжения питания должна быть существенно выше (0,1...0,01%).

В общем случае ИВП состоит из нескольких функционально законченных блоков, все схемотехническое многообразие которых, как правило, может быть разбито на три основные группы: устройства согласования уровня, частоты и стабильности напряжения (рис.1.1,а) [ 2 ].

Рис.1.1. Структурные схемы ИВП: а) обобщенная схема, б) схема с входным низкочастотным преобразователем

На рис.1.1, б приведена структурная схема, предназначенная для преобразования напряжения промышленной сети в постоянное напряжение. Она содержит каскадное соединение трансформатора (TV), осуществляющего функцию согласования уровней напряжения; выпрямителя (В), преобразующего напряжение переменного тока в напряжение, содержащее постоянную составляющую (пульсирующее напряжение); сглаживающего фильтра (Ф), предназначенного для стабилизации мгновенного значения пульсирующего напряжения; стабилизатора (Ст), стабилизирующего среднее значение выходного напряжения. ИВП характеризуется рядом электрических параметров:

1) номинальными уровнями входного U_{вх ном} и выходного U_{вых ном} напряжений;

2) предельными отклонениями входного и выходного напряжений от номинальных значений (относительные изменения dU_вх и dU_вых ).

Часто при определении выходного напряжения отдельно задают величину нестабильности от изменения тока нагрузки – dU_вых(I_н)и напряжения питания – dU_вых(U_вх).

Иногда величину dU_вых(U_вх) задают коэффициентом стабилизации по напряжению

;

3) диапазоном изменения выходной мощности P_Hmax – P_Hmin. Иногда этот диапазон задается значениями максимального I_выхmax и минимального I_выхmin токов нагрузки;

4) Предельным уровнем амплитуды переменной составляющей входного U_mвх и выходного U_mвых напряжений. Иногда эта величина задается в виде коэффициента пульсаций

К_п= U_mi/ U_ном ,

где U_mi – напряжение первой гармоники, U_ном – постоянная составляющая.

Способность ИВП пропускать переменную составляющую входного напряжения задается в виде коэффициента сглаживания

К_сгл = К_Пвх / К_Пвых .

В качестве выпрямительных устройств могут использоваться:

1) однофазные однополупериодные выпрямители (К_п = 1.57);

2) однофазные двухполупериодные выпрямители (К_п = 0.67) (рис.1.2);

3) трехфазные однополупериодные выпрямители (К_п = 0.25);

4)
трехфазные двухполупериодные выпрямители (схема Ларионова, К_п » 0.057).

Рис. 1.2. Схемы однофазных двухполупериодных выпрямителей: а) со средней точкой; б) мостовая схема с одним выходным напряжением; в) мостовая схема с двумя выходными напряжениями для питания устройств с применением ОУ

Для сглаживания пульсаций напряжения в нагрузке после выпрямителя ставятся реактивные элементы, выполняющие роль фильтров (С, L, LC, CLC) (рис.1.3). Эффективность сглаживающих фильтров оценивается коэффициентом сглаживания К_сгл.

Рис. 1.3. Схемы сглаживающих фильтров: а) емкостной; б) индуктивный; в) индуктивно-емкостной (Г-образный); г) комбинированный (П-образный)

Для стабилизации среднего значения выходного напряжения ИВП при колебаниях напряжения сети и тока нагрузки применяются стабилизаторы. Существующие стабилизаторы могут быть разделены на два класса: параметрические (К_Uст = 10 ¸ 30) и компенсационные (К_Uст до 1000 и более).

Параметрический стабилизатор обеспечивает поддержание выходного напряжения за счет собственной нелинейности используемого полупроводникового элемента – стабилитрона (рис.1.4).

Колебания входного напряжения или тока нагрузки приводят к изменению тока через стабилитрон, однако напряжение на стабилитроне, подключенном параллельно нагрузке, изменяется незначительно. Входное напряжение распределяется между балластным резистором R_б и стабилитроном

U_вх = U_Rб + U_ст,

где U_Rб = (I_ст + I_Н)R_б .

Так как напряжение на стабилитроне U_ст в соответствии с вольт-амперной характеристикой почти не зависит от тока стабилитрона в пределах участка от I_{ст min} до I_{ст max}, то приращение входного напряжения DU_вх равно приращению напряжения DU_Rб. Если ток нагрузки I_н = U_н / R_н = U_ст / R_н остается при этом неизменным, то

DU_вх = DU_Rб = D I_ст R_б,

т.е. при изменении входного напряжения на значение DU_вх ток стабилитрона изменяется на значение DU_вх / R_б.

При изменении тока нагрузки изменяется и ток стабилитрона в противоположном направлении, т.к. при неизменном входном напряжении сохраняется постоянство входного тока I_вх = I_ст + I_Н = const.

	Iстноm

Рис. 1.4. Схема параметрического стабилизатора на стабилитроне (а) и графическая интерпретация ее работы (б)

Основными параметрами стабилизаторов напряжения являются:

коэффициент стабилизации

,

коэффициент полезного действия

.

Выходное сопротивление параметрического стабилизатора определяется дифференциальным сопротивлением стабилитрона R_D на рабочем участке вольтамперной характеристики:

.

Для повышения К_ст (К_ст > 50) можно применять каскадное включение параметрических стабилизаторов.

Параметрические стабилизаторы напряжения просты и надежны, однако обладают существенными недостатками — невозможность регулировки выходного напряжения и малое значение К_ст, особенно при больших токах нагрузки (I_Н > I_{ст ном} ).

Высокое качество стабилизации напряжения можно получить при использовании компенсационных стабилизаторов, являющихся замкнутой системой автоматического регулирования, в которой коэффициент передачи звена, включенного в цепь передачи электрической величины, зависит от разности входного и некоторого эталонного сигнала. В зависимости от места включения такого звена все стабилизаторы подразделяются на последовательные, параллельные и последовательно-параллельные.

Принцип работы компенсационных стабилизаторов основан на использовании цепи ООС. Для реализации указанного принципа устройство кроме регулирующего (исполнительного) элемента (РЭ) содержит измерительный элемент (ИЭ), элемент сравнения и источник эталонного напряжения U_эт (рис.1.5.). Выходное напряжение измерительного элемента, пропорциональное стабилизируемому параметру, сравнивается в элементе сравнения с эталонным напряжением, и полученный сигнал ошибки U_ош = U_эт – U_из – управ ляет коэффициентом передачи РЭ.

Рис.1.5. Блок схема компенсационного стабилизатора

Рис.1.6. Схема непрерывного компенсационного стабилизатора постоянного напряжения

В зависимости от вида выполнения РЭ различают непрерывные и ключевые компенсационные стабилизаторы напряжения. В непрерывных компенсационных стабилизаторах в качестве РЭ используют биполярный или полевой транзистор, работающий в активном режиме (рис.1.6). В ключевых компенсационных стабилизаторах роль РЭ выполняют импульсные усилители мощности, кпд таких схем значительно выше. Широкое распространение получили интегральные стабилизаторы, такие микросхемы как К142ЕН, К181ЕН, К275ЕН (максимальный ток нагрузки 150 МА), а также К403ЕН (ток нагрузки до 2А). Более подробные сведения о микросхемах интегральных стабилизаторов приведены в [ 3 ].

Задание

Спроектировать ИВП для преобразования напряжения промышленной сети в постоянное напряжение.

Дано:

– параметры напряжения сети U_вх = 220 В, f = 50 Гц,

DU_вх = +15...– 20%;

– однофазная мостовая схема выпрямителя;

– фильтры (C₁, L₁, L₂C₂, C₃L₃C₄);

– параметрический стабилизатор напряжения;

– параметры потребителя выходного напряжения (U_н, R_н и К_Пвых) заданы в таблицах 1.1 и 1.2. Вариант определяется двумя цифрами шифра зачетной книжки. Цифра единиц указывает номер исходных данных в табл. 1.1., цифра десятков — в табл. 1.2.

Таблица 1.1

№ варианта
RH [Ом]
UH [в]

Таблица 1.2

№ варианта
КПвых	0.05	0.03	0.04	0.01	0.06	0.02	0.07	0.02	0.01	0.03

Требуется:

1. Определить расчетные мощности обмоток трансформатора и коэффициент трансформации n.

2. Рассчитать параметры сглаживающих фильтров (C₁, L₁, L₂C₂, C₃L₃C₄).

3. Исследовать на компьютере (пакет EW) действие всех фильтров.

4. Выбрать по справочнику стабилитрон.

5. Рассчитать величину балластного сопротивления R_б.

6. Выбрать по справочнику диоды выпрямителя.

7. Исследовать на компьютере (пакет EW) спроектированную схему ИВП (рис.1.7). Оценить работу схемы параметром К_ст.

8. Рассчитанные значения сопротивлений резисторов и емкостей конденсаторов округлить до номинальных значений, соответствую

щих ряду Е12 (приложение 1).

Рис.1.7. Схема преобразования напряжения промышленной сети в постоянное напряжение (пакет Electronics Workbench)