11870

Применение программы РSpice для моделирования однотактного преобразователя постоянного напряжения с обратным диодом

Лабораторная работа

Информатика, кибернетика и программирование

Ознакомление со схемой однотактного преобразователя постоянного напряжения с обратным диодом (ОПНО), расчет элементов и построение Pspice-модели преобразователя.

Русский

2014-03-20

220.5 KB

11 чел.

Лабораторная работа №3

Применение программы РSpice для моделирования однотактного преобразователя постоянного напряжения с обратным диодом.

Цель работы - ознакомление со схемой однотактного преобразователя постоянного напряжения с обратным диодом (ОПНО), расчет элементов и построение Pspice-модели преобразователя.

3.1. Схема и принцип действия ОПНО

В источниках электропитания находят применение однотактные преобразователи с самовозбуждением (автогенераторы). На рисунке 3.1 показана схема простейшего однотактного автогенератора.

Рис.3.1

Схема представляет собой релаксационный генератор с трансформаторной обратной связью, выполненный на транзисторе, в коллекторную цепь которого включен трансформатор питания, через первичную обмотку которого подключено входное напряжение питания Uп [1]. Способ включения силового выпрямительного диода VD является отличительным признаком однотактного преобразователя с обратным диодом.

При подключении напряжения питания Uп по цепи W1, Сd, и Rd начнет протекать ток, который вызовет нарастание магнитного потока в магнитопроводе трансформатора. Появляющееся при этом напряжение на первичной обмотке W1 трансформируется в обмотку положительной обратной связи W2, полярность подключения которой такова, что она способствует полному открыванию транзистора. Когда ток коллектора достигнет своего максимального значения полярность напряжений на обмотках трансформатора изменится на обратную и происходит лавинообразный процесс запирания транзистора. Напряжение на вторичной обмотке имеет прямоугольную форму.

Полярность подключения силового диода выпрямителя ко вторичной обмотке трансформатора определяет способ передачи энергии в нагрузку. При открытом транзисторе VT к W1 приложено напряжение Uп и во вторичную обмотку трансформируется импульс напряжения длительностью tи. Однако включенный в обратном направлении диод VD в это время закрыт и нагрузка Rн отключена от преобразователя.

В момент паузы tп, когда транзистор закрыт, полярность напряжения на всех обмотках трансформатора изменяется на обратную, диод VD открывается и выпрямленное напряжение прикладывается к нагрузке. При следующем цикле, когда транзистор VT открывается, а диод запирается, конденсатор разряжается на нагрузку Rн, обеспечивая протекание постоянного тока Iн. Индуктивность вторичной обмотки трансформатора при этом играет роль дросселя сглаживающего фильтра. ОПНО обеспечивает развязку и защиту выходного напряжения от помех по входным шинам питания, работает с простейшими емкостными фильтрами.

3.2. Расчет элементов ОПНО

Исходные данные:

напряжение питающего напряжения   Uп, В

выходное напряжение     Uн, В

мощность нагрузки      Pн, Вт

период преобразования     Т, мкс

коэффициент пульсаций выходного напряжения Kп, %.

3.2.1. Расчет элементов силовой части преобразователя

На рисунке 3.2 приведены совмещенные диаграммы напряжения на коллекторе транзистора VT Uк и тока коллектора iк. Диаграммы построены с допущением того, что постоянная времени демпфирующей цепи RdCd сравнительно мала, сопротивление транзистора в открытом состоянии равно нулю, а в закрытом - бесконечности, время перехода транзистора из одного состояния в другое так же сравнительно мало, напряжение на выходе преобразователя идеально сглажено, индуктивности обмоток трансформатора имеют линейный характер, активное сопротивление обмоток равно нулю и коэффициент связи индуктивностей обмоток близок к 1. Приведенные ниже расчетные соотношения так же соответствуют этим допущениям.

Рис.3.2

Из условия равенства средних значений напряжений на первичной и вторичной обмотках трансформатора следует уравнение

 (3.1)

Из уравнения (3.1), выражая tи получим

 (3.2)

За время открытого состояния транзистора tи ток в первичной обмотке трансформатора W1 достигнет максимального значения, определяемое по формуле

 , (3.3)

где L1 - индуктивность первичной обмотки трансформатора.

Энергия запасенная в индуктивности первичной обмотки определяется по формуле

 (3.4)

Поскольку при принятых допущениях энергия, запасенная в индуктивности первичной обмотки, целиком трансформируется в нагрузку, то будет справедливо равенство [2]

 (3.5)

Решая систему уравнений (3.3) и (3.5) относительно imax получим

 (3.6)

Выражая из (3.3) формулу для определения индуктивности и подставляя в нее (3.6), получим

 (3.7)

Индуктивность вторичной обмотки находится с учетом коэффициента трансформации.

 (3.8)

Амплитуда пульсаций напряжения на конденсаторе определяется по формуле [1]

 (3.9)

откуда следует соотношение для определения емкости Сf

 (3.10)

3.2.2. Расчет элементов цепи управления транзистором VT

Задавшись напряжением на выводах обмотки W2, находим индуктивность обмотки управления по формуле

 (3.11)

Сопротивление в цепи обратной связи находится по формуле

 (3.12)

где iбк - ток базы, соответствующий границе режима насыщения и активного режима при заданном токе коллектора транзистора imax. Способ определения iбк приведен в методических указаниях.


Задание к лабораторной работе

Для исходных данных выбранного варианта задания (см. табл. 3.1) рассчитать параметры элементов преобразователя, составить файл задания на моделирование и зарисовать (распечатать) совмещенные диаграммы тока первичной обмотки трансформатора, тока обратного диода, напряжения на коллекторе транзистора, напряжения на вторичной обмотке. Сделать вывод о точности аналитического расчета элементов преобразователя.

Таблица 3.1

Вариант

задания

Uп, В

Uн, В

Pн, Вт

f=1/T, кГц

Кп, %

1

200

40

10

10

1

2

200

40

20

10

1

3

200

40

30

10

1

4

200

40

40

10

1

5

200

40

50

10

1

6

50

20

10

10

1

7

100

20

10

10

1

8

150

20

10

10

1

9

200

20

10

10

1

10

250

20

10

10

1

11

200

20

15

10

1

12

200

25

15

10

1

13

200

30

15

10

1

14

200

35

15

10

1

15

200

40

15

10

1

16

200

30

10

10

1

17

200

30

10

15

1

18

200

30

10

20

1

19

200

30

10

25

1

20

200

30

10

30

1

Методические указания

Чтобы определить ток  базы iбк транзистора соответствующий границе активного режима и режима насыщения при заданном токе коллектора ik нужно рассчитать схему на рисунке 3.3 по следующему заданию на моделирование:

iбк

.Tran 1e-6 1.5 Uic

.Probe

ik 0 3 200m

R0 1 0 1e6

R1 3 2 0.1

R2 3 0 100

Q1 2 1 0 [имя модели транзистора]

ib 0 1 Pwl(0 50m  1 0m)

.lib Vnom.lib

.End

Рис.3.3

По графику на рисунке 3.4 находим iбк, равный току базы соответствующий моменту времени, когда происходит резкое уменьшение тока коллектора.

Рис.3.4

Ниже приведены распечатка файла, содержащего задание на моделирование преобразователя, схема которого показана на рисунке 3.1 и результаты моделирования в графическом виде . Файл задания составлен для Uп=200 В, Uн= 30 В, Рн=10 Вт, f=10 кГц и Кп= 1%. Номера узлов элементов схемы в файле задания соответствуют номерам узлов схемы на рисунке 3.1. Подробные сведения по эффективному использованию параметров директив управления заданием на моделирование в [3].

OPNO

.TRAN 1e-7 3700e-6 0e-6 UIC

.Options reltol=0.0001

.PROBE

задание начального условия

.ic V(9)=30.8

V1 1 0 200

Rw1 1 2 1.11

L1 2 3 3.38e-3

Q1 3 4 0 Q2T928A

D1 4 3 D2D204A

Cd 3 5 15e-9

Rd 5 0 150

L2 6 0 20.0e-6

Roc 6 4 400

C2 6 4 0.01e-6

L3 0 7 3.38e-3

K L1 L2 L3 0.99

Cf 9 0 400e-6

RH 9 0 90.0

Rw3 7 8 1.2

D2 8 9 D2D212A

.lib Vnom.lib

.lib Diod.lib

.END

На рисунке 3.5 приведена распечатка кривых напряжений на вторичной обмотке и на коллекторе транзистора, а также кривых токов в обратном диоде и в первичной обмотке.

Рис.3.5

РЕКОМЕНДУЕМАЯ  ЛИТЕРАТУРА

Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры: Справочник / Г.С. Найвельт, К.Б. Мазель, И.И. Хусаинов и др.; под ред. Г.С. Найвельта. - М.: Радио и связь, 1985. - 576 с.,ил.

Иванов-Циганов А.И. Электропреобразовательные устройства РЭС: Учеб. для вузов по спец. “Радиотехника” М. Высш. шк., 1991.-272 с.:ил.

Разевиг В.Д. Применение программ P - CAD и Pspice для схемотехнического моделирования на ПЭВМ: В 4 выпусках. Вып. 3: Моделирование аналоговых устройств. - М,: Радио и связь 1992. - 120с.: ил.



 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

52824. Екологічна конференція «Земля – наш дім» “The Earth is our home” 87 KB
  Today we invite you to our conference. It will be devoted to problems of environmental protection. We all know that our planet is in danger. And the first task of modern people is to save the planet from pollution, contamination and destruction. At the conference our students won't be just students, but ecologists, doctors, managers of big enterprises.
52826. Застосування сучасних прикладних програм і технологій при розв’язуванні задач економічного напрямку 337 KB
  Можливо за допомогою всього лише прикладних програм, що входять до пакета MS Office, розв’язати задачу про те, який кошторис потрібно фірмі закласти сьогодні в новий проект для того, щоб через певний період часу вона отримала від здійснення цього проекту максимальний прибуток? Чи можна в середовищі MS Excel розв’язати проблему оптимального розподілу ресурсів фірми
52827. ЭКОНОМЕТРИКА Методические указания к выполнению контрольной работы для студентов заочной формы обучения 956 KB
  Если работа не принимается к зачету, то она вместе с рецензией возвращается студенту. Студент обязан учесть все замечания и внести их в текст работы или выполнить ее заново
52828. Використання мультимедійних засобів для проведення лекційного заняття з дисципліни «Основи менеджменту та маркетингу» 26.03 MB
  По-перше. Кожен викладач може розробити власний пакет лекцій, який буде максимально адаптований саме для певного кола слухачів. Для створення таких лекцій необхідний лише один персональний компютер, на якому установлено стандартний пакет програм Microsoft Office, a саме стандартна програма Power Point.
52829. Школа бізнесу 37.5 KB
  Мета: Ознайомити дітей з грошовими одиницями інших держав, продовжувати вчити дітей ощадливо ставитися до грошей, економно та раціонально їх використовувати. Пригадати основний закон економіки. Розрізняти першочергові і другорядні потреби. Вправляти в розв’язуванні кросвордів, читанні ребусів; розвивати пам'ять, логічне та образне мислення, творчу уяву, пізнавальні інтереси.
52830. Машини і механізми 200 KB
  Мета. Ознайомити учнів з різними видами машин і механізмів, де і як вони використовуються у виробництві; розвивати мислення, уяву, мовлення, виховувати інтерес до різних видів професій.