МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И МОЛОДЕЖНОЙ ПОЛИТИКИ

СВЕРДЛОВСКОЙ ОБЛАСТИ

ГАПОУ СО «УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОЛЛЕДЖ ИМ И.И. ПОЛЗУНОВА»

УТВЕРЖДАЮ:

Кафедра Информационных систем и

Автоматического Управления

Зав. кафедрой _______________

М.А. Гузачев

«__»_____________________2021 г

ЛИНЕЙНЫЙ ИВЭП С МОСТОВЫМ ВЫПРЯМИТЕЛЕМ

Методические указания к лабораторной работе по учебной дисциплине

ОП.06 «Электротехнические основы источников электропитания»

для специальности

09.02.02 «Компьютерные сети»

Екатеринбург 2021

1

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

3

Цель работы

5

1.

Принцип действия линейного ИВЭП

5

1.1 ИВЭП с мостовым выпрямителем, положительное

выходное напряжение

7

1.2 ИВЭП с мостовым выпрямителем, отрицательное

выходное напряжение

13

2.

Загрузочные файлы для программы PSpice

19

3.

Лабораторное задание

20

4.

Методические указания по подготовке и выполнению

лабораторной работы

20

5.

Содержание отчета

26

6.

Контрольные вопросы

26

Приложение 1. Требуемые значения выходных параметров ИВЭП 28

2

ВВЕДЕНИЕ

Современные электронные устройства различного назначения (компьютеры,

телевизоры,

музыкальные

центры,

коммутаторы,

маршрутизаторы,

межсетевые экраны

и т.п.) в основном построены на микросхемах,

устройствах

и

приборах

полупроводниковой

и

интегральной

микроэлектроники. Эти компоненты электронной техники функционируют

при наличии электропитания постоянного тока с напряжением от нескольких

вольт до нескольких десятков вольт в зависимости от конкретного типа или

серии.

Первичные

источники

электрической

энергии

не

приспособлены

для

оптимального решения задачи питания электронных компонентов, потому что

параметры силовых промышленных электросетей выбираются из простоты

получения энергии из первичных агрегатов и минимальных потерь при

транспортировке на большие расстояния. В связи с этим, решение проблемы

не соответствия параметров

промышленной электросети требуемым (по

техническим

условиям)

параметрам

электропитания

электронных

компонентов возложено на источники вторичного электропитания (ИВЭП).

Для

того,

чтобы

сетевое

напряжение

синусоидальной

формы

с

амплитудой, примерно 311 В и с частотой 50 Гц, преобразовать в постоянное

напряжение с заданными параметрами необходимо решить три задачи:

1.

Изменить (уменьшить) амплитуду напряжения (рисунок 1);

2.

Преобразовать

знакопеременное

напряжение

в

однополярное

(пример

однополупериодного

преобразования

иллюстрируется

рисунком 2);

3.

Преобразовать однополярное переменное напряжение в постоянное

(рисунок 3).

Рисунок 1- Изменение амплитуды напряжения: (1) – напряжение питающей

сети; (2) – напряжение уменьшенной амплитуды

3

Рисунок 2 - Преобразование знакопеременного напряжения (2)

в однополярное (3) напряжение

Рисунок 3 – Преобразование переменного однополярного напряжения (3)

в постоянное напряжение (4)

Первая задача решается с помощью линейного трансформатора, вторая

- с помощью выпрямителя, третья – с помощью сглаживающего фильтра.

Функциональная

схема

ИВЭП,

состоящая

из

понижающего

трансформатора, выпрямителя и сглаживающего фильтра представлена на

рисунке 4.

Рисунок 4 - Линейный сетевой ИВЭП: сеть – входное (сетевое) переменное

напряжение; Vвых – выходное постоянное напряжение; нагрузка – цепи

питания электронных компонентов

Линейные

сетевые

ИВЭП

появились

задолго

до

появления

полупроводников. Они обладают по сравнению с импульсными блоками

питания такими свойствами как низкий уровень шума и пульсаций,

невосприимчивость

к

помехам

от

сети,

надежность,

простота

конструкции, расчета и

ремонта.

К

недостаткам

линейных

ИВЭП

по

4

сравнению с импульсными блоками питания относятся низкий КПД,

невозможность поддержки нескольких режимов работы питаемых устройств,

требуют большего теплоотвода, большие масса и габариты. В связи с этими

недостатками линейных ИВЭП в цифровых устройствах используются

импульсные источники вторичного электропитания.

Линейные ИВЭП сохранились для питания усилителей мощности в

качественной аудио воспроизводящей аппаратуре.

Цель работы

Изучить принцип работы линейного сетевого источника вторичного

электропитания (ИВЭП) с мостовым выпрямителем, приобрести опыт расчета

и проверки методом компьютерного моделирования.

1.

Принцип действия линейного ИВЭП

Существуют два варианта схемотехнической реализации ИВЭП с

мостовым выпрямителем, функциональная схема которых представлена на

рисунке 4:

1.

ИВЭП с положительным выходным напряжением;

2.

ИВЭП с отрицательным выходным напряжением.

Во всех вариантах линейных ИВЭП понижающий трансформатор

должен работать на линейном участке зависимости магнитной индукции B от

напряженности

H

(рисунок 5,а). При гармоническом токе в первичной

обмотке трансформатора напряженность магнитного поля Н также будет

изменяться по гармоническому закону (рисунок 5,б). Поскольку во всем

диапазоне значений напряженности магнитного поля H выполняется условие

-Bm< B < +Bm и как следствие этого, индукция магнитного поля также

изменяется по гармоническому закону (рисунок 5,в), соответственно ЭДС

самоиндукции и взаимоиндукции, пропорциональные производной dB(t)/dt

подчиняются гармоническому закону. На рисунках 5,д и 5,е представлены

спектры соответственно индукции B и напряжения V на вторичной обмотке

трансформатора. Спектры состоят из одной гармоники, что соответствует

линейному преобразованию сетевого напряжения трансформатором.

5

Рисунок 5 – Диаграммы, поясняющие принцип работы трансформатора в

линейном режиме: а) – зависимость B(H); б) – ток в первичной обмотке; в) –

зависимость B(t); г) – изменение производной B(t); д) – спектр B(f) индукции;

е) – спектр напряжения на вторичной обмотке

Процессы, происходящие в трансформаторе при не выполнении условия

-Bm< B < +Bm, поясняют диаграммы на рисунке 6. Как следует из рисунка

6,а,

при H

< -Hm

и H

> +Hm

магнитопровод переходит в состояние

насыщения.

Примечание:

в

состоянии

насыщения

магнитопровода

изменение

напряженности магнитного поля H не сопровождается изменением магнитной

индукции B.

В следствие насыщения магнитопровода при H>|Hm|, B(t) (рисунок 6,в) и

производная dB(t)/dt (рисунок 6,г) не соответствуют гармоническому закону

при гармоническом токе намагничивания. Рисунки 6,д и 6,е свидетельствуют

об обогащении спектров индукции

B

и напряжения на обмотках

трансформатора. Обогащение (расширение) спектра свойственно нелинейному

преобразованию гармонического сигнала. В магнитопроводе возникают

6

дополнительные

потери

энергии,

КПД

трансформатора

значительно

уменьшается, напряжение на обмотках не гармоническое.

Рисунок 6 – Диаграммы, поясняющие принцип работы трансформатора в

нелинейном режиме

1.1.

ИВЭП с мостовым выпрямителем, положительное выходное

напряжение

Схема электрическая принципиальная ИВЭП с мостовым выпрямителем

и положительным выходным напряжением представлена на рисунке 7.

Схема условно разделена на 5 функциональных узлов, которые

пронумерованы римскими цифрами:

I

– эквивалентный источник сетевого напряжения (источник первичного

электропитания) Vвх;

II

–

понижающий

трансформатор

(Тр)

с

согласованным

включением

первичной L1 и вторичных L2, L3 обмоток;

III

– выпрямитель, реализованный на полупроводниковых диодах DVD1-

DVD4;

IV – фильтр, реализованный на конденсаторе Сф;

7

V – эквивалент нагрузки ИВЭП (Rн).

Эквивалентный источник сетевого напряжения Vвх и эквивалент

нагрузки Rн не входят в состав ИВЭП. Их присутствие на рисунке 7

необходимо для пояснения принципа действия ИВЭП.

Рисунок 7 – ИВЭП с мостовым выпрямителем

(выходное напряжение положительное)

ИВЭП,

представленный

на

рисунке

7,

отличается

от

ИВЭП

с

однополупериодным выпрямителем тем, что выпрямитель состоит из 4-х

диодов DVD1 – DVD4, соединенных по схеме так называемого моста (ромба).

В

вертикальную

диагональ

моста

включена

вторичная

обмотки

L2

понижающего

трансформатора

Tр,

а

в

горизонтальную

диагональ

-

параллельно соединенные конденсатор фильтра Cф и нагрузка Rн.

Предварительные пояснения:

Поскольку

сетевое напряжение является переменным синусоидальным,

для лучшего понимания имеет смысл описать процессы в ИВЭП как для

положительной, так и для отрицательной полуволн в отдельности.

На первом этапе рассмотрим принцип работы этого

ИВЭП при

отключенном конденсаторе фильтра Cф (рисунок 8).

При

положительной полуволне

входного сетевого напряжения в

первичном контуре, состоящем из эквивалентного источника сетевого

напряжения Vвх и первичной обмотки L1 трансформатора Тр, протекает ток

(Iвх) по часовой стрелке. В магнитопроводе (K) трансформатора возникает

переменное магнитное поле, напряженность которого напрямую связана с

изменением тока в первичной обмотке (см. рисунок 5,б или 6,б). В

соответствии

с

законом

о

взаимной

электромагнитной

индукции,

на

вторичной обмотке L2 трансформатора наводится ЭДС взаимной индукции,

плюс которой при согласованном включении обмоток L1 и L2 будет вверху, а

минус внизу (см. рисунок 8). При этом, напряжение на вторичной обмотке L2,

равное разности потенциалов между вторым и третьим узлами V(2,3), плюсом

8

приложено к аноду выпрямительного диода DVD1 и катоду DVD2, а минусом

к аноду DVD3 и катоду DVD4. При такой полярности приложенных к диодам

напряжений,

DVD2 и DVD3 будут закрыты независимо от мгновенных

значений приложенных напряжений. Диоды DVD1 и DVD4 будут открыты

при условии, что приложенные к диодам напряжения превысят пороговое

значение (примерно 0.7В на каждый кремневый диод). В этом случае, через

диоды DVD1 и DVD4 будет протекать ток Iвых как показано на рисунке 8.

Рисунок 8 – Контуры протекания токов во время положительной полуволне

сетевого напряжения

Таким образом, во вторичном контуре, состоящем из последовательно

соединённых

вторичной

обмотки

L2,

выпрямительного

диода

DVD1,

эквивалентного сопротивления нагрузки Rн и выпрямительного диода DVD4,

будет

протекать

ток

по

часовой

стрелке.

Временные

диаграммы,

соответствующие рисунку 8, представлены на рисунке 9 (положительные

полуволны напряжения на вторичной обмотке).

Падение напряжения на Rн отличается от напряжения на обмотке L2 на

величину падения напряжения на 2-х открытых диодах DVD1и DVD4 (прямо

смещенных p-n – переходах диодов).

9

Рисунок 9 - Временные диаграммы напряжений V(2,3) и V(4) на вторичной

обмотке трансформатор и на нагрузке соответственно (Cф отключен)

При

отрицательной полуволне

входного сетевого напряжения в

первичном контуре протекает ток Iвх против часовой стрелки. На вторичной

обмотке L2 трансформатора наводится

ЭДС взаимной индукции, плюс

которой при согласованном включении обмоток L1 и L2 будет внизу, а минус

вверху (см. рисунок 10). При этом, напряжение на вторичной обмотке L2,

равное разности потенциалов между вторым и третьим

узлами, плюсом

приложено к аноду выпрямительного диода DVD3 и катоду DVD4, а минусом

к аноду DVD1 и катоду DVD2. При такой полярности приложенных к диодам

напряжений,

DVD1 и DVD4 будут закрыты независимо от мгновенных

значений приложенных напряжений. Диоды DVD2 и DVD3 будут открыты

при условии, что приложенные к диодам напряжения превысят пороговое

значение (примерно 0.7В на каждый диод). В этом случае, через диоды

DVD3 и DVD2 будет протекать ток Iвых как показано на рисунке 10.

Временные диаграммы, соответствующие рисунку 10 представлены на

рисунке 9 (отрицательные полуволны напряжения на вторичной обмотке). Как

видно из временных диаграмм, представленных на рисунке 9, мостовый

выпрямитель является двухполупериодным.

ИВЭП

с

мостовым

выпрямителем

отличается

от

ИВЭП

с

двухполупериодным

выпрямителем

со

средней

точкой

количеством

вторичных обмоток трансформатора и количеством выпрямительных диодов.

10

Рисунок 37 – Контуры протекания токов во время отрицательной полуволне

сетевого напряжения

Рассмотрим процессы в ИВЭП при подключённом конденсаторе

фильтра Cф (рисунок 7) после завершения переходного процесса.

При

положительной полуволне

входного сетевого напряжения в

первичном контуре протекает ток (Iвх) по часовой стрелке. На вторичной

обмотке L2 трансформатора наводятся

ЭДС взаимной индукции, плюс

которой при согласованном включении обмоток будет вверху, а минус внизу

(см. рисунок 38).

Рисунок 11 – Контуры протекания токов во время положительной полуволне

сетевого напряжения

При этом, напряжение на вторичной обмотке L2, равное разности

потенциалов между вторым и третьим узлами V(2,3), плюсом приложено к

аноду выпрямительного диода DVD1 и катоду

DVD2, а минусом к аноду

DVD3 и катоду DVD4. При такой полярности приложенных к диодам

напряжений,

DVD2 и DVD3 будут закрыты независимо от мгновенных

значений приложенных напряжений. Диоды DVD1 и DVD4 будут открыты

при условии, что приложенные к диодам положительные напряжения

превысят пороговое значение (примерно 0.7 В на каждый диод).

11

Уточнение: диод DVD4 откроется первым и произойдет это в момент

времени,

когда

на

катоде

этого

диода

отрицательное

напряжение

достигнет пороговое значение примерно -0,7 В. Диод DVD1 откроется после

того, как напряжение на аноде превысит напряжение на катоде, равное

напряжению на конденсаторе Сф, на величину примерно +0,7 В. После

отпирания диода DVD1 во вторичном контуре появится ток.

Таким образом, во вторичном контуре, состоящем из последовательно

соединённых

вторичной

обмотки

L2,

выпрямительного

диода

DVD1,

параллельно включенных Rн и Сф и выпрямительного диода DVD4, будет

протекать

ток

как

показано

на

рисунке

11.

Временные

диаграммы,

соответствующие рисунку 11, представлены на рисунке 12 (положительные

полуволны напряжения на вторичной обмотке).

Рисунок 12 - Временные диаграммы токов и напряжений ИВЭП

с подключенным конденсатором фильтра Cф (переходный процесс,

возникающий после включения ИВЭП не показан). В верхнем Probe окне

представлены токи выпрямительных диодов, в среднем Probe окне – ток

заряда конденсатора Cф и тока через нагрузку Rн, в нижнем Probe окне –

напряжения на вторичной обмотке трансформатора V(2,3) и на выходе блока

питания Vвых= V(4)

При

отрицательной полуволне

входного сетевого напряжения в

первичном контуре протекает ток Iвх против часовой стрелки. На вторичной

обмотке L2 трансформатора наводится

ЭДС взаимной индукции, плюс

которой при согласованном включении обмоток L1 и L2 будет внизу, а минус

12

вверху (см. рисунок 13). При этом, напряжение на вторичной обмотке L2,

равное разности потенциалов между вторым и третьим

узлами, плюсом

приложено к аноду выпрямительного диода DVD3 и катоду DVD4, а минусом

к аноду DVD1 и катоду DVD2. При такой полярности приложенных к диодам

напряжений,

DVD1 и DVD4 будут закрыты независимо от мгновенных

значений приложенных напряжений. Диоды DVD2 и DVD3 будут открыты

при условии, что приложенные к диодам напряжения превысят пороговое

значение (примерно 0.7В на каждый диод). В этом случае, через диоды

DVD3 и DVD2 будет протекать ток Iвых как показано на рисунке 40.

Рисунок 13 – Контуры протекания токов во время отрицательной полуволне

сетевого напряжения

Таким образом, во вторичном контуре, состоящем из последовательно

соединённых

вторичной

обмотки

L2,

выпрямительного

диода

DVD3,

параллельно включенных Rн и Сф и выпрямительного диода DVD2, будет

протекать ток по часовой стрелке (см. рисунок 13). Временные диаграммы,

соответствующие рисунку 13, представлены на рисунке 12 (отрицательные

полуволны напряжения на вторичной обмотке).

1.2.

ИВЭП с мостовым выпрямителем, отрицательное выходное

напряжение

Схема электрическая принципиальная ИВЭП с мостовым выпрямителем

и положительным выходным напряжением представлена на рисунке 14.

13

Рисунок 14 – ИВЭП с мостовым выпрямителем

(выходное напряжение отрицательное)

Рисунок 14 отличается от рисунка 7 тем, что выпрямительные диоды

диодного моста включены в противоположном направлении. Аноды и катоды

диодов «поменялись» местами.

На первом этапе рассмотрим принцип работы этого

ИВЭП при

отключенном конденсаторе фильтра Cф (рисунок 15).

При

положительной полуволне

входного сетевого напряжения в

первичном контуре, состоящем из эквивалентного источника сетевого

напряжения Vвх и первичной обмотки трансформатора L1, протекает ток (Iвх)

по часовой стрелке. На вторичной обмотке L2 трансформатора наводится

ЭДС взаимной индукции, плюс которой при согласованном включении

обмоток L1 и L2 будет вверху, а минус внизу (см. рисунок 15). При этом,

напряжение на вторичной обмотке L2, равное разности потенциалов между

вторым

и

третьим

узлами

V(2,3),

плюсом

приложено

к

аноду

выпрямительного диода DVD2 и катоду DVD1, а минусом к аноду DVD4 и

катоду DVD3. При такой полярности приложенных к диодам напряжений,

DVD1 и DVD4 будут закрыты независимо от мгновенных значений

приложенных напряжений. Диоды DVD2 и DVD3 будут открыты при условии,

что приложенные к диодам напряжения превысят пороговое значение

(примерно 0.7 В на каждый кремневый диод). В этом случае, через диоды

DVD2 и DVD3 будет протекать ток Iвых как показано на рисунке 15.

14

Рисунок 15 – Контуры протекания токов во время положительной полуволне

сетевого напряжения

Таким образом, во вторичном контуре, состоящем из последовательно

соединённых

вторичной

обмотки

L2,

выпрямительного

диода

DVD2,

эквивалентного сопротивления нагрузки Rн и выпрямительного диода DVD3,

будет протекать ток как показано на рисунке 15. Временные диаграммы,

соответствующие рисунку 15, представлены на рисунке 16 (положительные

полуволны напряжения на вторичной обмотке).

Рисунок 16 – Временные диаграммы напряжений V(2,3) и V(4) на вторичной

обмотке трансформатор и на нагрузке соответственно (Cф отключен)

Амплитуда падения напряжения на Rн отличается от амплитуды

напряжения на обмотке L2 на величину падения напряжения на 2-х открытых

диодах DVD2 и DVD3 (прямо смещенных p-n – переходах диодов).

При

отрицательной полуволне

входного сетевого напряжения в

первичном контуре протекает ток (Iвх) против часовой стрелки. На вторичной

обмотке L2 трансформатора наводится

ЭДС взаимной индукции, плюс

15

которой при согласованном включении обмоток L1 и L2 будет внизу, а минус

вверху (см. рисунок 17).

Рисунок 17 – Контуры протекания токов во время отрицательной полуволне

сетевого напряжения

Напряжение на вторичной обмотке L2, равное разности потенциалов

между вторым и третьим

узлами V(2,3), плюсом приложено к аноду

выпрямительного диода DVD4 и катоду DVD3, а минусом к аноду DVD2 и

катоду DVD1. При такой полярности приложенных к диодам напряжений,

DVD2 и DVD3 будут закрыты независимо от мгновенных значений

приложенных напряжений. Диоды DVD1 и DVD4 будут открыты при условии,

что приложенные к диодам напряжения превысят пороговое значение

(примерно 0.7 В на каждый диод). В этом случае, через диоды DVD1 и

DVD4 будет протекать ток Iвых как показано на рисунке 17.

Таким образом, во вторичном контуре, состоящем из последовательно

соединённых

вторичной

обмотки

L2,

выпрямительного

диода

DVD4,

эквивалентного сопротивления нагрузки Rн и выпрямительного диода DVD1,

будет протекать ток против часовой стрелки. Временные диаграммы,

соответствующие рисунку 17, представлены на рисунке 16 (отрицательные

полуволны напряжения на вторичной обмотке).

Рассмотрим процессы в ИВЭП при подключённом конденсаторе

фильтра Cф (рисунок 14) после завершения переходного процесса.

При

положительной полуволне

входного сетевого напряжения в

первичном контуре протекает ток (Iвх) по часовой стрелке. На вторичной

обмотке L2 трансформатора наводятся

ЭДС взаимной индукции, плюс

которой при согласованном включении обмоток будет вверху, а минус внизу

(см. рисунок 18).

16

Рисунок 18 – Контуры протекания токов во время положительной полуволне

сетевого напряжения

Напряжение на вторичной обмотке L2, равное разности потенциалов

между вторым и третьим

узлами V(2,3), плюсом приложено к аноду

выпрямительного диода DVD2 и катоду DVD1, а минусом к аноду DVD4 и

катоду DVD3. При такой полярности приложенных к диодам напряжений,

DVD1 и DVD4 будут закрыты независимо от мгновенных значений

приложенных напряжений. Диоды DVD2 и DVD3 будут открыты при условии,

что приложенные к диодам напряжения превысят пороговое значение

(примерно 0.7 В на каждый диод).

Уточнение: диод DVD2 откроется первым и произойдет это в момент

времени, когда на аноде этого диода положительное напряжение достигнет

пороговое значение примерно +0,7 В. Диод DVD3 откроется после того, как

напряжение на катоде уменьшится относительно напряжения на аноде,

равное напряжению на конденсаторе Сф, на величину примерно 0,7 В. После

отпирания диода DVD3 во вторичном контуре появится ток.

Таким образом, во вторичном контуре, состоящем из последовательно

соединённых

вторичной

обмотки

L2,

выпрямительного

диода

DVD2,

параллельно включенных Rн и Сф и выпрямительного диода DVD3, будет

протекать ток по направлению, указанному стрелками на рисунке 18.

Временные диаграммы,

соответствующие рисунку 18, представлены на

рисунке 19 (положительные полуволны напряжения на вторичной обмотке).

17

Рисунок 19 - Временные диаграммы токов и напряжений ИВЭП с

подключенным конденсатором фильтра Cф (переходный процесс,

возникающий после включения ИВЭП не показан). В верхнем Probe окне

представлены токи выпрямительных диодов, в среднем Probe окне – ток

заряда конденсатора Cф и тока через нагрузку Rн, в нижнем Probe окне –

напряжения на вторичной обмотке трансформатора V(2,3) и на выходе блока

питания Vвых= V(4)

При

отрицательной полуволне

входного сетевого напряжения в

первичном контуре протекает ток Iвх против часовой стрелки. На вторичной

обмотке L2 трансформатора наводится

ЭДС взаимной индукции, плюс

которой при согласованном включении обмоток L1 и L2 будет внизу, а минус

вверху (см. рисунок 20).

Рисунок 20 – Контуры протекания токов во время отрицательной полуволне

сетевого напряжения

При этом, напряжение на вторичной обмотке L2, равное разности

потенциалов между вторым и третьим узлами, плюсом приложено к аноду

выпрямительного диода DVD4 и катоду DVD3, а минусом к катоду DVD1 и

18

аноду DVD2. При такой полярности приложенных к диодам напряжений,

DVD2 и DVD3 будут закрыты независимо от мгновенных значений

приложенных напряжений. Диоды DVD1 и DVD4 будут открыты при условии,

что приложенные к диодам напряжения превысят пороговое значение

(примерно 0.7 В на каждый диод). В этом случае, через диоды DVD1 и

DVD4 будет протекать ток Iвых.

Таким образом, во вторичном контуре, состоящем из последовательно

соединённых

вторичной

обмотки

L2,

выпрямительного

диода

DVD4,

параллельно включенных Rн и Сф и выпрямительного диода DVD1, будет

протекать ток по направлению, указанному на

рисунке 20. Временные

диаграммы,

соответствующие рисунку 20, представлены на рисунке 19

(отрицательные полуволны напряжения на вторичной обмотке).

2.

Загрузочные файлы для программы моделирования PSpice

* Variant ХХ*

.OPT Reltol=1u ITL5=0 ITL4=10000

.tran 1u 200ms 100ms; 100ms – исключение переходного процесса.

.IC V(4) = <

V

=Вых

>

.probe

.four 100 2 V(4); Фурье анализ напряжения V(4) на частоте 100 Гц.

IG 0 1 DC 0A sin(0A 0.1365A 50HZ); эквивалентный источник тока

RG 1 0 1Meg

L1 1 0 3111

L2 2 0 <количество витков>

DVD1 <узел анода> <узел катода> D7G

DVD2 <узел анода> <узел катода> D7G

DVD3 <узел анода> <узел катода> D7G

DVD4 <узел анода> <узел катода> D7G

R4 4 0 <сопротивление нагрузки>

Cf 4 0 <емкость конденсатора>

K1 L1 L2 0.9999 K528T500_3C8_1

.MODEL K528T500_3C8_1 CORE(MS=1800E3 A=10 K=10 C=0.4 AREA=6

PATH=20 GAP=0.1); модель магнитопровода трансформатора

.Model D7G d; модель диода с параметрами по умолчанию

.end

19

3.

Лабораторное задание

3.1 Выполнить

расчет

тока

нагрузки

(Iн),

эквивалентного

сопротивления нагрузки (Rн), коэффициента трансформации (n

тр

),

количества витков N2 вторичной обмотки

L2, электрической

емкости конденсатора фильтра (Сф).

3.2 Проверить

результаты

расчёта

параметров

ИВЭП

методом

компьютерного моделирования.

3.3 Если выходные параметры ИВЭП с расчетными значениями

коэффициента

трансформации

и

электрической

емкости

конденсатора фильтра не соответствуют требуемым значения,

выполнить параметрическую оптимизацию ИВЭП.

4.

Методические указания по подготовке и выполнению

лабораторной работы

4.1. Определение требований к выходным параметрам ИВЭП

Требуемые значения выходных параметров ИВЭП представлены в

Приложении 1. Вариант параметров определяется по журналу группы.

Заполните колонку «Требуемые значения» Таблицы 1.

Таблица 1 – Выходные параметры ИВЭП

Параметр

Требуемое

значение

Полученное

значение

Постоянное выходное напряжение

V

=Вых

, В

Допустимое отклонение

постоянного выходного

напряжения δV

=Вых

(не более), %

Уровень переменной

составляющей выходного

напряжения V

~Вых

(не более), мВ

Выходная мощность выпрямителя

Р

Вых

(±5%), Вт

4.2. Расчет тока нагрузки Iн, сопротивления нагрузки Rn, коэффициента

трансформации n

тр

трансформатора, количества витков вторичной обмотки

трансформатора N2 и емкости конденсатора Сф

20

Исходные данные для расчета:

- сетевое однофазное напряжение V

~Вх

= 220 В; f=50 Гц;

- максимальное падение напряжения на кремневом диоде в открытом

состоянии 0.75В;

- требуемые значения выходных параметров ИВЭП из таблицы 1.

Расчет выполняем по формулам (1) – (5). В формулах используются

модули тока |I

н

| и напряжения |V

=Вых

|.

|I

н

|= Р

Вых

/ |V

=Вых

| [А]

(1)

R

н

= |V

=Вых

|/ |I

н

| [Ом]

(2)

n

тр

=

U

~Вх

/ (|V

=Вых

| + 2|V

д

|)

(3)

N2 = N3 = N1/n

тр

= 3111/n

тр

(4)

С

ф

=|Iн |/(2• π•f •V

~Вых

) [Ф]

(5)

4.3. Загрузите программу PSpiceA/D и перейдите в режим создания текстового

файла как показано на рисунке 21.

Рисунок 21 - Создание текстового файла в программе PSpiceA/D

Текст загрузочного файла скопируйте из раздела 2 во встроенный в

управляющую оболочку программы PSpiceA/D текстовый ASCII редактор.

Отредактируйте загрузочный файл следующим образом:

- удалите комментарии, написанные на кириллице;

21

- в титульную (первую) строку добавьте свою фамилию и инициалы

(используя латиницу), а так же замените номер варианта исходных данных на

свой вариант;

- в карте начальных условий .IC

запишите значения заданного

выходного напряжения V

=Вых

(знак обязателен);

-

запишите

в

соответствующие

строки

значения

рассчитанных

параметров для L2, Rn и Cf, при этом ёмкость конденсатора Сф округлите в

сторону увеличения до величины, кратной 1000 мкФ;

-

укажите номера цепей (узлов) анода и катода выпрямительных

диодов DVD1 – DVD4.

На рисунке 22 показан пример содержания загрузочного файла.

Рисунок 22 – Загрузочный фай для моделирования ИВЭП с мостовым

выпрямителем (отрицательное выходное напряжение)

Созданный файл сохраните на жестком диске компьютера. Расширение

имени файла <имя>.cir прописывается вручную как показано на рисунке 23.

22

Рисунок 23 – Сохранение загрузочного файла

4.4. Отладка загрузочного файла

Загружаем в программе PSpiceA/D созданный файл <имя>.cir и

запускаем его на моделирование (рисунок 24) для выявления ошибок

синтаксиса входного языка PSpice и схемотехнических ошибок. Устраняем

выявленные ошибки.

Рисунок 24 – Запуск программы PSpiceA/D на счет

4.5. Запуск моделирования и просмотр результатов

Запускаем программу PSpiceA/D на счет с исправленным текстом

загрузочного файла. По завершению расчета просматриваем выходной файл

<имя>.out.

23

Рисунок 24 – Пиктограмма для активизации просмотры выходного файла

(Output File)

В выходном файле просматриваем секцию FOURIER ANALYSIS

(смотри пример на рисунке 25).

Рисунок 25 – Результаты моделирования: выходное напряжение V(4)

представлено постоянной составляющей (DC COMPONENT) и гармониками

переменной составляющей на частоте 100Гц

4.6. Параметрическая оптимизация

Проверьте

соответствие

значения

DC

COMPONENT

требуемому

значению V

=Вых

. Определите в процентах отклонение DC COMPONENT от

24

V

=Вых

.

Если

полученное

значение

отклонения

больше,

чем

δV

=Вых

,

необходимо изменить количество витков обмоток L2 и L3. Если

DC

COMPONENT меньше V

=Вых

, то необходимо добавлять витки (увеличивать N2

и N3). В противном случае, уменьшать N2 и N3.

Примерное количество дополнительных витков можно определить

поделив модуль отклонения DC COMPONENT от V

=Вых

, вычисленное в

Вольтах, на 0.1 Вольт.

Примечание: при амплитуде сетевого напряжения порядка 311.1 Вольт

и количестве витков первичной обмотки N1=3111 на один виток приходится

0.1 Вольта.

Выполните повторное моделирование с измененным значением N2 и N3.

При необходимости, выполните более точный подбор значения N2 и N3

добавляя или убавляя по одному витку обмотки. Возможно добавление или

уменьшение части витка.

Проверьте выходную мощность ИВЭП. Для этого воспользуйтесь

возможностью probe

(см. рисунок 26). Перейдите в частотную область

используя процедуру FFT, активируйте команду Add Trace и в открывшемся

окне выберите мощность W(Rn), потребляемую нагрузкой Rn.

Рисунок 26 – Выбор мощности, потребляемой нагрузкой

С помощью курсора определите мощность на нулевой частоте, которая

является выходной мощность Р

Вых

ИВЭП. Измеренное значение Р

Вых

должно

соответствовать требуемому значению. Мощность как выходное напряжение

изменяется с помощью n

ТР

(N2 и N3).

Оптимальный коэффициент трансформации определите по формуле (4)

используя окончательное значение N2 (или N3).

25

После завершения оптимизации по коэффициенту трансформации n

TР

полученные значения выходных параметров V

=Вых

, δV

=Вых

(в %) и Р

Вых

записать в таблицу 1 соответственно 2, 3 и 5 строки (третий столбец).

На следующем этапе сравните амплитуду переменной составляющей

(амплитуду гармоники на частоте 100 Гц) с максимально допустимым

значением V

~Вых

. Если амплитуда гармоники превышает значение V

~Вых

,

необходимо увеличить емкость конденсатора Сф на 1000мкФ и выполнить

повторное

моделирование.

При

необходимости,

повторите

увеличение

емкости Сф и моделирование. Как только, амплитуда гармоники станет

меньше V

~Вых

, оптимизация по емкости

Сф завершается.

Полученное

значение переменной составляющей выходного напряжения V

~Вых

запишите в

таблицу 1 в 4 строку третий столбец.

Если V

=Вых

, V

~Вых

и Р

Вых

соответствуют требуемым значения, переходите

к составлению отчета.

5.

Содержание отчета

1.

Титульный лист.

2.

Цель лабораторной работы.

3.

Схема моделируемого ИВЭП.

4.

Заполненная таблица 1.

5.

Расчет тока нагрузки Iн, сопротивления нагрузки Rn, коэффициента

трансформации

nТР,

количества

витков

вторичных

обмоток

трансформатора и емкости конденсатора Сф.

6.

Оптимизированный загрузочный файл программы PSpice.

7.

Секция FOURIER ANALYSIS выходного файла.

8.

Оптимальные значения n

ТР

и Сф.

9.

Временные диаграммы V(2,3) и V(4) при отключенном Сф.

10. Временные диаграммы V(2,3) и V(4) при подключенном Сф.

11. Зависимость магнитной индукции B от напряженности H магнитного

поля магнитопровода трансформатора.

12. Анализ полученных результатов.

6.

Контрольные вопросы

1.

Как вычислить амплитудное значение сетевого напряжения при

известном действующем значении?

2.

Какой ИВЭП считается линейным?

26

3.

Сколько задач необходимо решить для получения из сетевого

напряжения синусоидальной формы амплитудой порядка 310 вольт

постоянного напряжения с заданными параметрами?

4.

Для решения какой задачи в составе линейного ИВЭП имеется

трансформатор?

5.

Какую задачу решает выпрямитель в ИВЭП?

6.

Для чего предназначен конденсатор Сф?

7.

Зачем в ИВЭП используются диоды DVD1 – DVD4?

8.

Как определить коэффициент трансформации трансформатора?

9.

Как определить количество витков вторичной обмотки (N2) при

известном

количестве

витков

в

первичной

обмотке

(N1)

и

коэффициенте трансформации (n

ТР

)?

10.Как определить выходную мощность ИВЭП?

11.Чем

обусловлено

наличие

в

выходном

напряжении

ИВЭП

переменной составляющей?

12.Каким образом можно уменьшить переменную составляющую в

выходном напряжении?

13.Для чего используется в лабораторной работе Фурье преобразование?

14.Каким свойством должна обладать зависимость В(Н) магнитопровода

трансформатор?

15.Как определить величину постоянной составляющей в выходном

напряжении ИВЭП?

16.Насколько больше амплитуда напряжений на вторичной обмотке

трансформатора выходного напряжения?

17.Чему

равно

максимальное

значение

падения

напряжения

на

выпрямительном диоде V

=Вых

?

18.Почему ИВЭП, схемы которых представлены на рисунках 7 и 14,

называются мостовыми?

19.Как определить сколько вольт приходится на один виток любой

обмотки трансформатора?

20.Почему емкость Сф в ИВЭП с мостовым выпрямителем в два раза

меньше, чем в ИВЭП с однополупериодным выпрямителем?

21.Каким недостатком обладает ИВЭП с мостовым выпрямителем?

22.В чем преимущество ИВЭП с мостовым выпрямителем по сравнению

с ИВЭП с двухполупериодным выпрямителем со средней точкой?

27

Приложение 1

Таблица П.1 – Требуемые значения выходных параметров ИВЭП

Вариант

V

=вых

,

(В)

δV

=вых

, не более (

±

%)

V

~

, (мВ)

Р

вых

, (Вт)

1

+1.5

1.0

50

0.1

2

-1.5

1.5

55

0.1

3

+2.0

1.0

50

0.2

4

-2.0

1.5

55

0.2

5

+3.0

1.0

50

0.3

6

-3.0

1.5

55

0.3

7

+3.5

1.0

50

0.4

8

-3.5

1.5

55

0.4

9

+4.0

1.0

50

0.5

10

-4.0

1.5

55

0.5

11

+4.5

1.0

50

0.6

12

-4.5

1.5

55

0.6

13

+5.0

1.0

50

0.7

14

-5.0

1.5

55

0.7

15

+5.5

1.0

55

0.8

16

-5.5

1.5

60

0.8

17

+6.0

1.0

60

0.9

18

-6.0

1.5

65

0.9

19

+6.5

1.0

65

1.0

20

-6.5

1.5

70

1.0

21

+7.0

1.0

70

1.1

22

-7.0

1.5

75

1.1

23

+7.5

1.0

75

1.2

24

-7.5

1.5

80

1.2

25

+8.0

1.0

80

1.3

26

-8.0

1.5

85

1.3

27

+8.5

1.0

85

1.4

28

-8.5

1.5

90

1.4

29

+9.0

1.0

90

1.6

30

-9.0

1.5

95

1.6

31

+9.5

1.0

95

1.8

32

-9.5

1.5

100

1.8

33

+10.0

1.0

100

2.0

34

-10.0

1.5

105

2.0

28