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 Uвх ном и выходного Uвых ном напряжений;
2) предельными отклонениями входного и выходного напряжений от номинальных значений (относительные изменения dUвх и dUвых).
Часто при определении выходного напряжения отдельно задают величину нестабильности от изменения тока нагрузки – dUвых(Iн)и напряжения питания – dUвых(Uвх).
Иногда величину dUвых(Uвх) задают коэффициентом стабилизации по напряжению
;
3) диапазоном изменения выходной мощности PHmax – PHmin. Иногда этот диапазон задается значениями максимального Iвыхmax и минимального Iвыхmin токов нагрузки;
4) Предельным уровнем амплитуды переменной составляющей входного Umвх и выходного Umвых напряжений. Иногда эта величина задается в виде коэффициента пульсаций
Кп= Umi/ Uном ,
где Umi – напряжение первой гармоники, Uном – постоянная составляющая.
Способность ИВП пропускать переменную составляющую входного напряжения задается в виде коэффициента сглаживания
Ксгл = КПвх / КПвых.
В качестве выпрямительных устройств могут использоваться:
1) однофазные однополупериодные выпрямители (Кп = 1.57);
2) однофазные двухполупериодные выпрямители (Кп = 0.67) (рис.1.2);
3) трехфазные однополупериодные выпрямители (Кп = 0.25);
4) 
трехфазные двухполупериодные выпрямители (схема Ларионова, Кп » 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 Ксгл.
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 (КUст = 10 ¸ 30) и компенсационные (КUст 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 Rб и стабилитроном
Uвх = URб + Uст,
где URб = (Iст + IН)Rб.
Так как напряжение на стабилитроне Uст в соответствии с вольт-амперной характеристикой почти не зависит от тока стабилитрона в пределах участка от Iст min до Iст max, то приращение входного напряжения DUвх равно приращению напряжения DURб. Если ток нагрузки Iн = Uн / Rн = Uст / Rн остается при этом неизменным, то
DUвх = DURб = D Iст Rб,
т.е. при изменении входного напряжения на значение DUвх ток стабилитрона изменяется на значение DUвх / Rб.
 |
При изменении тока нагрузки изменяется и ток стабилитрона в противоположном направлении, т.к. при неизменном входном напряжении сохраняется постоянство входного тока Iвх = Iст + IН = const.
|
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 Кст (Кст > 50) можно применять каскадное включение параметрических стабилизаторов.
Параметрические стабилизаторы напряжения просты и надежны, однако обладают существенными недостатками — невозможность регулировки выходного напряжения и малое значение Кст, особенно при больших токах нагрузки (IН > Iст 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 Uэт (рис.1.5.). Выходное напряжение измерительного элемента, пропорциональное стабилизируемому параметру, сравнивается в элементе сравнения с эталонным напряжением, и полученный сигнал ошибки Uош = Uэт – Uиз – 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 Uвх = 220 В, f = 50 Гц,
DUвх = +15...– 20%;
– однофазная мостовая схема выпрямителя;
– фильтры (C1, L1, L2C2, C3L3C4);
– параметрический стабилизатор напряжения;
– параметры потребителя выходного напряжения (Uн, Rн и КПвых) 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 Rб.
6. Выбрать по справочнику диоды выпрямителя.
7. Исследовать на компьютере (пакет EW) спроектированную схему ИВП (рис.1.7). Оценить работу схемы параметром Кст.
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)
