”Электроника и микропроцессорная техника”
(часть 1)
для студентов - факультета БМТ
СТАБИЛИЗАТОРЫ
НАПРЯЖЕНИЙ
Созинов Б.Л.
Кафедра РАДИОЭЛЕКТРОННЫЕ СИСТЕМЫИ УСТРОЙСТВА
_____________________________________________________________________
Москва 2012 год
Цель домашнего работы состоит в исследовании работы линейного и импульсного стабилизаторов напряжения. Задачей работы является определение основных параметров стабилизаторов напряжения методом моделирования их работы с помощью пакета Micro-Cap 9.
Задание на выполнение работы.
1. Исследуйте работу модели интегрального линейного стабилизатора напряжения в составе выпрямителя (рис.1) и определить его основные параметры. 
Рис. 1. Выпрямитель напряжения с линейным стабилизатором напряжения.
На рабочем поле МС9 вызовете файл «Выпрямитель+стабилизатор_4.CIR».
В данном файле источник напряжения V1 имитирует сетевое напряжение 220 В с частотой 50 Гц (амплитуда 310 В). Трансформатор К1 представлен моделью идеального трансформатора (без магнитного сердечника), который имеет коэффициент трансформации n=0.12, а поэтому амплитуда переменного напряжения на вторичной обмотке равна 37.3 В. Сопротивление Ri в первичной сети трансформатора эмитирует потери в нем. Переменное выходное напряжение трансформатора выпрямляется мостовым выпрямителем на диодах D1 – D4, а для сглаживания пульсаций на выходе выпрямителя поставлен конденсатор С1.
Выходное напряжение выпрямителя подается на вход трехвыводного (int, out, G) линейного стабилизатора напряжения, к выходу которого подсоединена нагрузка Rn. Стабилизатор напряжения рассчитан на выходное напряжение Vout=15 B с максимальным выходным током Imax.out=300 мА, т.е. на минимальное сопротивление нагрузки Rn.min=50 Ом.
1.1. Исследуйте работу линейного стабилизатора напряжения при сопротивлении нагрузки Rn=75 Ом.
Для исследования работы стабилизатора напряжения используйте режим анализа Transient, проводимый в два этапа. На первом этапе заказывается время анализа 60 мс (3 периода сетевого напряжения) с шагом расчета 10 мкс при нулевых начальных условий и отказе от предварительного расчета схемы по постоянному току. Первоначально просмотрите осциллограммы напряжений на выходных клеммах трансформатора V(a,b), на входе V(int) и выходе V(out) стабилизатора напряжения. Пример заполнения окна Transient Analysis Limits для получения общей информации о работе стабилизатора напряжения приведен на рис. 1.2.
Рис. 1.2. Параметры проведения анализа Transient для получения общей информации о работе стабилизатора напряжения.
Убедившись, что исследуемая схема работоспособна (выходное напряжение после переходного процесса остается постоянным), по окончанию расчета необходимо записать состояние схемы в одноименном файле с расширение.ТОР (обратитесь к пиктограмме Transient, в падающем меню State Variables Editor.. F12 и т.д.), а полученные осциллограммы напряжений перенесите в свой рабочий файл. В отчете следует объяснить работу мостовой схемы выпрямителя и линейного стабилизатора напряжения.
Второй этап анализа Transient необходимо проведите на отрезке времени равному периоду пульсаций входного напряжения стабилизатора напряжения (при частоте напряжения сети 50 Гц время анализа 10 мс) с начальными условиями, полученными в конце первого этапа анализа и записанными в одноименном файле с расширением.ТОР. На данном этапе анализа определяются спектральный состав входного V(int) и выходного V(out) напряжений стабилизатора, средние мощности входного и выходного напряжений и средняя мощность, рассеиваемая на регулирующем транзисторе Q4. Для получения спектров напряжений воспользуйтесь оператором HARM(), а для вычисления средней мощности – оператором SUM(y,t), где вместо переменной y записывается выражение мгновенной мощности I()*V() на исследуемом элементе. Оператор SUM(y,t) представляет собой текущий интеграл от переменной y по времени t. С помощью данного оператора на втором этапе анализа Transient вычисляется энергия за заказанное время анализа (10 мс), а поэтому для определения средней мощности результат вычисления SUM() делится на время анализа. В исследуемой схеме выпрямителя во входной цепи стабилизатора напряжения введено вспомогательное сопротивление Rg=0 для определения входного тока стабилитрона как I(Rg). Пример заполнения параметров проведения второго этапа анализа Transient представлен на рис. 1.3.
Рис. 1.3. Параметры анализа проведения второго этапа анализа Transient.
Рекомендуется не выводить на экран монитора спектры напряжений, а представлять их только в виде числового файла (для этого пиктограммы, расположенные справа от окна номера графика оператора HARM() должны быть активизированы). Для чтения результатов расчета, представленных числовым файлом, используется горячая клавишу F5, а для возвращения к графическим результатам – горячая клавишу F4.
Результаты второго этапа анализа Transient сохраните в своем рабочем WORD файле. По графическим результатам определите энергетические параметра стабилизатора напряжения:
Рн – мощность нагрузки, как результат SUM(I(Rn)*V(Rn),T)/10m в конце расчета;
Рвх – входную мощность стабилизатора, как результат SUM(-I(Rg)*V(int),T)/10m в конце расчета;
Ртр – мощность рассеиваемая на регулирующем транзисторе стабилитрона, как результат SUM(-Ie(Q4)*V(int,out),T)/10m в конце расчета.
Полученные данные позволяют вычислить коэффициент полезного действия исследуемого стабилизатора напряжения как:
К.п.д.=Рн/Рвх
По спектральному составу входного и выходного напряжений, представленных в виде числового файла, определите:
Uн – номинальное выходное напряжение стабилизатора, за которое принимается постоянная составляющая в спектре выходного напряжения (HARM(V(out)));
∆Uн – пульсацию выходного напряжения, за которую приближенно примите амплитуду первой гармоники (на частоте 100 Гц) в спектре выходного напряжения;
Uвх – постоянную составляющую входного напряжения (HARM(V(int)));
∆Uвх – пульсацию выходного напряжения, за которую приближенно примите амплитуду первой гармоники (на частоте 100 Гц) в спектре входного напряжения;
Кп.н=(∆Uн/Uн)*100 [%] – коэффициент пульсаций выходного напряжения стабилизатора при нагрузке Rn=75 Ом;
Кп.вх=(∆Uвх/Uвх)*100 [%] – коэффициент пульсаций входного напряжения стабилизатора при нагрузке Rn=75 Ом;
Кст=Кп.вх/Кп.н – коэффициент стабилизации по напряжению;
1.2. Исследуйте работу стабилизатора напряжения при колебании сетевого напряжения в пределах ±10% при работе на номинальную нагрузку Rn=75 Ом.
Воспользуйтесь многовариантным анализом Transient c нулевыми начальными условиями при общем времени анализа 60 мс (как при первом этапе анализа в п. 1.2). Используя пиктограмму Stepping, закажите изменение амплитуды генератора напряжения V1 в виде List со следующими значениями: 280 [-10%], 310 [0%], 325 [+05%], 340 [+10%]. Пример заполнения проведения многовариантного анализа Transient показан на рис. 1.4.
Рис. 1.4. Заказ параметров многовариантного режима анализа Transient для определения работоспособности стабилизатора напряжений при колебаниях сетевого напряжения.
При анализе работы стабилизатора при колебаниях сетевого напряжения закажите в окне Transient Analysis Limits вывод на экран монитора осциллограммы тока эмиттера регулирующего транзистора Ie(Q4), тока I(D6) и напряжения V(D6) на стабилитроне, используемого для защиты стабилизатора от короткого замыкания. Пример заполнения параметров анализа Transient приведен на рис. 1.5.
Рис. 1.5. Заказ вывода на экран напряжений и токов при многовариантном анализе Transient стабилизатора напряжения.
Для того чтобы правильно провести спектральный анализ входного (HARM(V(int))) и выходного (HARM(V(out))) задайте отрезок времени на его проведения от 50m до 60m. Для этого обратитесь к пиктограмме Properties…(F10) и на закладке FFT введите вместо Tmax и Tmin соответствующие времена, как показано на рис. 1.6.
Рис. 1.6. Указание отрезка времени, на котором проводится спектральный анализ при многовариантном анализе Transient.
После заполнения окна Stepping и окна Transient Analysis Limits дайте команду на его проведения. Результаты анализа сохраните в своем рабочем Word файле, по которым оцените способность стабилизатора отработать пределы изменения сетевого напряжения. В отчете представьте зависимости постоянного выходного напряжения Uн, коэффициента пульсации выходного напряжения Кп.н и коэффициента стабилизации Кст от изменения напряжения сети.
1.3. Исследуйте работу стабилизатора напряжения при изменении сопротивления нагрузки.
Как и ранее, используйте многовариантный анализ Transient для ряда сопротивлений нагрузки Rn=0, 50 Ом, 75 Ом, 100 Ом, отказавшись от изменения сетевого напряжения (амплитуды источника V1). Параметры анализа Transient и вывод данных на экран оставьте, как и в предыдущем случае. В отчете представьте зависимости постоянного выходного напряжения Uн, коэффициента пульсации выходного напряжения Кп.н и коэффициента стабилизации Кст от сопротивления нагрузки Rn. Проведите оценку максимальной рассеиваемой мощности на регулирующем транзисторе Q4.
2. Исследуйте работу модели импульсного понижающего стабилизатора напряжения и определите его основные параметры.
2.1. Вызовете на рабочее поле МС7 файл «Стабилизатор_имп-5.CIR» и ознакомитесь с его работы.
Предлагается исследовать модель импульсного стабилизатора напряжения, принципиальная схема которого приведена на рис.2.1.
Рис. 2.1. Принципиальная схема модели импульсного понижающего стабилизатора напряжения.
В данной схеме входным напряжением является генератор постоянного напряжения Vp=30 В На компараторе Х1 собран триггер Шмитта, на основе которого выполнен ШИМ-модулятор.. Используемая в нем малая положительная обратная связь на резисторах R1-R2, делает практически равными пороги для управляющего напряжения V(u). На неинвертирующий вход компаратора подается напряжение от импульсного генератор треугольной формы V1 с периодом следования Т=20 мкс и амплитудой 25 В. т.е. частота следования управляющих импульсов стабилизатора равна F=50 кГц. На инвертирующий вход триггера поступает управляющее напряжение V(u), являющееся суммой от источника опорного напряжения Vop и выходного напряжения V(out2) усилителя сигнала рассогласования. В выходном каскаде компаратора Х1 эмиттер заземлен, а выходной сигнал снимается с «открытого» коллектора (нагрузка резистор R3 подключена к источнику питания V2).
При напряжении импульсного генератора V1 превышающем уровень управляющего напряжения V(u) выходное напряжение компаратора Х1 имеет высокий уровень напряжения (за счет делителя напряжения, образованного резисторами R3-R4││R5, примерно ≈15 В.). В том случаи, когда напряжение импульсного генератора меньше управляющего напряжения V(u), выходное напряжение компаратора имеет низкий уровень (0 В). Поэтому длительность положительных импульсов tимп на выходе компаратора Х1 зависит от соотношения уровней управляющего напряжения и амплитуды треугольного импульса генератора V1, а период их следования Т определяется периодом следования Т импульсного генератора V1. Так как амплитуда треугольных импульсов остается при работе постоянной, то изменение управляющего напряжения меняет длительность положительных импульсов выходного напряжения компаратора Х1, т.е.изменяет коэффициент заполнения D =tимп/T выходных импульсов компаратора. С ростом управляющего напряжения V(u) коэффициент заполнения D уменьшается, а при уменьшении V(u), наоборот, коэффициент заполнения D увеличивается. Теоретически управляющее напряжение V(u) может меняться от нуля до амплитуды импульсов Um треугольной формы, вызывая при этом изменение коэффициента заполнения D выходных импульсов ШИМ-модулятора от 1 до 0.
Роль силового ключа импульсного стабилизатора в исследуемой схеме выполняет биполярный транзистор Q2, режим работы которого определяется напряжением между его базой и эмиттером Uбэ. Если это напряжение более 0.7 В, то транзистор Q2 открыт и насыщен (ключ замкнут), а при Uбэ =0 транзистор Q2 заперт (ключ разомкнут).
Выходное напряжение V(out1) ШИМ-модулятора передается на вход ключевого транзистора Q2 с помощью двух транзисторов Q1 и Q3, имеющих разную структуру (n-p-n и p-n-p). Подобное соединение транзисторов позволяет получить управляющее напряжение (напряжение между базой и эмиттером) для ключевого транзистор Q2 не привязанное к общей шине схемы.
При высоком уровне выходного напряжения ШИМ-модулятора транзистор Q1 открыт и насыщен, при этом его ток коллектора создает на резисторе Rc2 падение напряжения, равное ≈0.8 В. Данное напряжение открывает транзистор Q3 со структурой p-n-p, поскольку напряжение на его базе становится меньше напряжения на эмиттере на величину падения напряжения на резисторе Rc2. Возникающий при этом ток коллектора транзистора Q3 создает падение напряжения на резисторе Rc3, переводящее ключевой транзистор Q2 в режим насыщения (силовой ключ замкнут). Таким образом, в данной схеме высокий уровень выходного напряжения ШИМ-модулятора поддерживает силовой ключ в замкнутом состоянии (транзистор Q2 находится в режиме насыщения), а низкий уровень – в разомкнутом состоянии (транзистор Q2 находится в режиме отсечки).
Величина управляющего напряжения V(u) ШИМ-модулятора определяет длительность tимп положительных импульсов выходного напряжения V(out1), т.е. коэффициент заполнения D= tимп /T. При идеальных транзисторах Q1, Q3, Q2 длительность открытого состояния ключевого транзистора Q2 была бы равна длительности положительного импульса tимп выходного напряжения ШИМ-модулятора. Реальные биполярные транзисторы выходят из режима насыщения не мгновенно, так как требуется время на рассасывание избыточных неосновных носителей в базе. Поэтому длительность открытого состояния ключевого транзистора Q2 всегда несколько больше длительности положительного выходного напряжения ШИМ-модулятор.
На выходе стабилизатора параллельно с нагрузкой стоит конденсатор Сп для сглаживания пульсаций выходного напряжения. Большая величина его емкости позволяет принять в установившемся режиме за постоянство величины выходного напряжения Vn.
Работу импульсного стабилизатора можно поделить на две фазы. На первой фазе, когда силовой ключ замкнут (транзистор Q2 находится в режиме насыщения), к индуктивности L1 приложено постоянное напряжение, равное VL=Vp-Vn. Поэтому ток в индуктивности L1 нарастает от некоторой минимальной величины Imin до максимальной Imax по линейному закону:
IL(t)=Imin+[(Vp-Vn)*t]/L1
За время tимп первой фаз работы ток в индуктивности L1 увеличивается на величину:
∆IL’=[(Vp-Vn)* tимп]/L1
Если во время первой фазы работы диод D1 заперт напряжением питания Vp, то с переводом ключевого транзистора Q2 в режим отсечки (вторая фаза), диод D2 открывается. Это происходит за счет возникающей в индуктивности ЭДС самоиндукции, препятствующей изменению тока в индуктивности L1. Поэтому на второй фазе работы (силовой ключ разомкнут) к индуктивности приложено постоянное выходное напряжение Vп, а поэтому в промежутке времени от tимп до Т, ток в индуктивности уменьшается по линейному закону:
IL(t)=Imаx-(Vn*t)/L1
За время второй фазы (Т- tимп) ток в индуктивности уменьшится на величину:
∆IL’’=Vn*(Т- tимп)/L1
В установившемся режиме приращения тока ∆IL’ и его убывание ∆IL’’ за период Т должны быть равны:
[(Vp-Vn)* tимп]/L1= Vn*(Т- tимп)/L1
Из данного равенства следует, что выходное напряжение Vn стабилизатора связано с напряжением питания Vp через коэффициент заполнения D:
Vп=D*Vp
На операционных усилителях Х2, Х3 и Х4 выполнен дифференциальный усилительный каскад сигнала рассогласования. На его неинвертирующий вход поступает напряжение пропорциональное выходному напряжению Vn (делитель на резисторах Rd1-Rd2), а на инвертирующий вход – напряжение пропорциональное напряжению источника опорного напряжения Vop (делитель на резисторах Rd11-Rd12). Выходное напряжение усилителя пропорционально усиленной разности этих двух напряжений.
Управляющее напряжение V(u) ШИМ-модулятором, которое определяет коэффициент заполнения D, т. е. выходное напряжение стабилизатора, в данной схеме является суммой напряжения от источника опорного напряжения Vop и выходного напряжения V(out2) усилителя сигнала рассогласования. Сумматор Sum при моделировании принят в виде макромодели.
Принцип стабилизации выходного напряжения основан на том, что если в силу каких-то причин изменяется выходное напряжение, то за счет использования обратной связи меняется коэффициент заполнения D управляющих импульсов в сторону поддержания постоянства выходного напряжения. Например, если увеличится входное напряжение Vp, то это соответственно приведет к некоторому увеличению выходного напряжения Vп. Увеличение выходного напряжения стабилизатора Vn приведет к возрастанию выходное напряжение V(out2) усилителя сигнала рассогласования и соответственно управляющее напряжение V(u) ШИМ-модулятора. Но возрастание управляющего напряжение V(u) приводит к уменьшения коэффициента заполнения D, что уменьшение приращения выходного напряжения Vn стабилизатора, т.е. поддержанию его на постоянном уровне.
Исследуйте работу модели импульсного стабилизатора напряжения при постоянном уровне входного напряжения Vp=30 В., оцените его параметры.
Для исследования работы стабилизатора напряжения используйте анализ Transient, который проведите в два этапа. Задачей первого этапа анализа является определение времени выхода стабилизатора в установившейся режим. Для закажите время анализа 6 мс с шагом расчета 100 нс (учитывайте, что период следования импульсов управления ключом равен 20мкс) и используйте проведения анализа нулевые начальные условия с отказом от проведения предварительного расчета схемы по постоянному току. Закажите вывод на экран результатов расчета по изменению напряжений на входе V(int) и на выходе V(out) стабилизатора, управляющего напряжения V(u) ШИМ-модулятора, тока эмиттера транзистора Q2 и тока через индуктивность L1. Пример заполнения окна Transient Analysis Limits приведен на рис. 2.2.
Рис. 2.2. Параметры проведения первого этапа анализа Transient при исследовании импульсного стабилизатора напряжения.
По результатам расчета убедитесь, что выходное напряжение стабилизатора по окончанию переходного процесса устанавливается на уровне 15 В. Изменения по времени управляющего напряжения V(u) указывают на форму переходного режима. Ориентировочно оцените по данной осциллограмме время выхода стабилизатора на установившейся режим. Просмотрите в более крупном масштабе (пиктограмма Scale Mode или горячая клавиша F7) изменения тока эмиттера Ie (Q2) ключевого транзистора и тока I(L1) через индуктивность на участке конца режима анализа. Убедитесь, что ток в индуктивности имеет непрерывный характер. Результаты расчета сохраните в своем рабочем WORD файле для представления их в отчете с соответствующими пояснениями.
По окончанию первого этапа расчета сохраните состояние схемы в одноименном файле с расширением.ТОР, которое используется для проведения второго этапа анализа.
На втором этапе анализа Transient определяются спектры входного и выходного напряжений стабилизатора, его энергетические параметры. Длительность анализа выбирается равной периоду следования Т управляющих импульсов напряжения (в окне Time range установите 20 u), а начальные условия задайте из созданного на первом этапе числового файла (в окне State Variables установить Read). Для получения спектров входного и выходного напряжений используйте операторы HARM() с представлением их результатов в виде числового файла без вывода на экран. Для оценки средних мощностей на входе и выходе стабилизатор, мощности потерь на силовом транзисторе Q2 воспользуйтесь оператором SUM(), результат которого делите на время проведения второго этапа анализа. Пример заполнения окна Transient Analysis Limits для проведения второго этапа анализа представлен на рис. 2.3.
Рис. 2.3. Параметры второго этапа анализа Transient импульсного стабилизатора напряжений.
По результатам расчета второго этапа анализа определите мощности на входе и выходе стабилизатора напряжений, по которым вычислите к.п.д. стабилизатора, рассеиваемую мощность ключевым транзистором. По спектрам входного и выходного напряжений определите коэффициенты пульсаций входного и выходного напряжений. Результаты анализа второго этапа сохраните в своем рабочем Word-файле. Поясните причины возникновений пульсаций выходного напряжения импульсного стабилизатора.
Исследуйте работу модели импульсного стабилизатора напряжения при изменении входного напряжения Vp от 20 до 45 В., оцените его параметры.
Изменяйте дискретно в схеме стабилизатора, расположенной на рабочем поле МС7, входное напряжение Vp (20, 25, 35, 40 и 45 В) и проводите для каждого напряжения анализ Transient в два этапа, как описано в п. 2.2. По результатам вторых этапов постройте функциональные зависимости выходного напряжения и к.п.д. стабилизатора от входного напряжения.
Исследуйте работу модели импульсного стабилизатора напряжения при изменении сопротивления нагрузки при входном напряжении Vp=30 В., оцените его параметры.
Восстановите в схеме на рабочем поле МС7 входное напряжение стабилизатора Vp=30 v. Последовательно изменяйте сопротивление нагрузки Rn (10, 50, 100, 150 и 200 Ом) и проводите двухэтапный анализ Transient, как описано выше. По результатам вторых этапов постройте функциональные зависимости выходного напряжения и к.п.д. стабилизатора от сопротивления нагрузки Rn.
2.5. Исследуйте работу модели импульсного стабилизатора напряжения при пульсирующем входном напряжении Vp=30 ±3 В., оцените его параметры.
На рабочем поле в схеме импульсного стабилизатора во входной цепи между точкой int и источником постоянного напряжения Vp введите источник гармонического переменного напряжения Model 60HZ (dVp), для которого закажите частоту 500 Гц (период пульсаций 2 мс) и амплитуду 3 В. Сопротивление нагрузки стабилизатора установите 75 Ом.
Проведите двухэтапный анализ Transient, первый этап с временен анализа 6 мс, второй с временем анализа 2 мс. Измените форму задания по определению средних мощностей (операторы SUM() при данном анализе следует делить не на 20u, а на 2m, на время проведения второго этапа анализа). По результатам второго этапа оцените коэффициенты пульсаций входного и выходного напряжений, коэффициент стабилизации и коэффициент полезного действия.
3. По окончанию работы оформите отчет по установленной форме. При обсуждении результатов сравните параметры линейного и импульсного стабилизаторов напряжения.