Принцип работы тиристорного стабилизатора напряжения (ТСН) заключается в отслеживании изменений входного напряжения и корректировке в соответствии с ситуацией напряжения на выходе. При изменении входного напряжения первую фазу (20 миллисекунд) стабилизатор использует для замера напряжения. После замера происходит реагирование на ситуацию. При изменении напряжения в пределах диапазона, происходит выравнивание выходного напряжения до 220В. При падении напряжения ниже диапазона, стабилизатор переходит в режим "вытягивания" - поднимает напряжение, насколько хватает ресурса трансформатора. При этом соответственно напряжение на выходе стабилизатора тоже снижается. При резком скачке входного напряжения выше диапазона, происходит аварийное отключение. Импульсные скачки и скачки при отключениях и включениях электроэнергии не пропускаются. Регулировка напряжения в стабилизаторе организована методом переключения добавочных обмоток специального трансформатора. В тиристорном стабилизаторе осуществляется фазовое управление стабилизацией выходного напряжения. У трансформатора, представленного на рис.1, в качестве регулирующего элемента используется регулируемый выпрямитель (ВР) на тиристорах.
|
Рис.1. Структурная схема ТСН
Имеется также измерительный элемент (ИЭ), подключенный к выходному напряжению на Uн, за которым осуществляется слежение в замкнутой цепи регулирования. Синхронизация управляющих сигналов осуществляется с частотой переменного входного напряжения, подаваемого от трансформатора (T) на схему управления (СУ). При увеличении входного напряжения питания возрастает уровень сигнала, поступающего от измерительного элемента на схему управления, в которой происходит задержка включения тиристора на определённый угол, отсекая вертикальную часть входной синусоиды так, что среднее значение выходного выпрямленного напряжения на RH остаётся постоянным с определённой точностью.
Преимущества тиристорных стабилизаторов напряжения:
o Характеризуются малым временем регулирования.
o В режиме стабилизации ТСН мощность не теряют (четко выдерживают паспортные характеристики).
o Высокая точность регулирования (производители добиваются этого большим количеством повышающих ступеней).
Недостатки:
o Большое количество повышающих ступеней. (Каждая ступень – это обрыв фазы – «шум» в сеть, при этом чем больше ступеней, тем больше помех).
o Необходимо выбирать ТСН с большим запасом по мощности, что повышает их стоимость (не выдерживают перегрузок по току и по напряжению, даже кратковременных).
o По нижнему порогу отключаются.
o Выходное напряжение сильно искажено (это связано прежде всего с особенностью работы самих тиристоров, которые излучают очень большой уровень радиопомех).
o Большие габариты и вес.
o При наращивании числа ступеней происходит замедление их работы и существенное удорожание изделия в целом.
Основные параметры тиристорных стабилизаторов:
а) Коэффициент стабилизации по входному напряжению – отношение относительных приращений напряжений на входе и выходе стабилизатора:
(1)
где ΔUВХ, ΔUВЫХ – приращения входного и выходного напряжений стабилизатора при неизменном токе нагрузки; соответственно UВХ, UВЫХ – номинальные значения входного и выходного напряжений стабилизатора.
б) Коэффициент сглаживания пульсаций
(2)
где UВЫХ~, UВХ~ амплитуды пульсаций выходного и входного напряжений стабилизатора соответственно.
в) Температурный коэффициент напряжения характеризует стабильность выходного напряжения стабилизатора при изменении температуры окружающей среды:
(3)
г) Внутреннее сопротивление стабилизатора ri, равное отношению приращения выходного напряжения ΔUВЫХ к приращению тока нагрузки ΔIН при неизменном входном напряжении UВХ=const:
(4)
Задание на моделирование в среде Micro-Cap
В ходе лабораторной работы требуется провести исследования тиристорного стабилизатора напряжения с представленными в таблице 1 параметрами.
Таблица 1
| Напряжение питания сети | 220 В |
| Частота сети | 50 Гц |
| Номинальное значение выходного напряжения | Uн = 35 В |
| Ток нагрузки | Iн = 11 А |
| Нестабильность выходного напряжения при изменении питающего напряжения и температуры окружающей среды | δUн < ± 10% |
| Амплитуда пульсаций на выходе сглаживающего фильтра | Uн~ = 1 В |
| Максимальная температура окружающей среды | Tc = 50 ºC |
Моделирование принципиальной схемы тиристорного стабилизатора (рис.2) осуществляется в среде MicroСap. Составные элементы схемы их наименования, выбранные типы, номиналы и количества представлены в перечне элементов (таблица 2).
Рис. 2. Принципиальная схема ТСН
Перечень элементов схемы Таблица 2
 № варианта
Компоненты
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| Uн | 29 В | 32 В | 35 В | 38 В | 41 В |
| Iн | 15 А | 13 А | 11 А | 9 А | 7 А |
| С1,С3,С5 | 1 мФ | 1 мФ | 1 мФ | 1 мФ | 1 мФ |
| С2,С4,С6 | 3,9 мФ | 3,9 мФ | 3,9 мФ | 3,9 мФ | 3,9 мФ |
| R2,R5,R9 | 1,5 кОм | 1,5 кОм | 1,5 кОм | 1,5 кОм | 1,5 кОм |
| R1,R6,R10 | 100 Ом | 100 Ом | 100 Ом | 100 Ом | 100 Ом |
| R3,R7,R11 | 83 Ом | 87 Ом | 91 Ом | 95 Ом | 100 Ом |
| R4,R8,R12 | 610 Ом | 629 Ом | 640 Ом | 680 Ом | 700 Ом |
| R13 | 489 Ом | 503 Ом | 510 Ом | 530 Ом | 540 Ом |
| R14 | 2,05 кОм | 2,12 кОм | 2,2 кОм | 2,33 кОм | 2,4 кОм |
| R15 | 13 Ом | 14,7 Ом | 16 Ом | 18,3 Ом | 19,5 Ом |
| R16 | 1,2 кОм | 1,31 кОм | 1,5 кОм | 2 кОм | 2,3 кОм |
| R17 | 11,8 Ом | 12,5 Ом | 13,3 Ом | 16 Ом | 17,9 Ом |
| R18 | 465 Ом | 472 Ом | 490 Ом | 586 Ом | 598 Ом |
| R19 | 920 Ом | 970 Ом | 1 кОм | 1.2 кОм | 1,31 кОм |
| R20 | 980 Ом | 1 кОм | 1,1 кОм | 1,5 кОм | 1,6кОм |
| R21 | 376 Ом | 385 Ом | 390 Ом | 397 Ом | 399 Ом |
| R22 | 78 Ом | 80 Ом | 82 Ом | 90 Ом | 95 Ом |
| R23 | 1 кОм | 1,05 кОм | 1,1 кОм | 1,3 кОм | 1,5 кОм |
| R24 | 1,9 кОм | 2,3 к Ом | 2,7 кОм | 3,2 кОм | 3,7 кОм |
| L | 0,03 Гн | 0,03 Гн | 0,03 Гн | 0,03 Гн | 0,03 Гн |
| VD1,VD3,VD5 | КД2989А | КД2989А | КД2989А | КД2989А | КД2989А |
| VD2,VD4,VD6 | Д226А | Д226А | Д226А | Д226А | Д226А |
| VD7 | КД202Д | КД202Д | КД202Д | КД202Д | КД202Д |
| VD8 | Д226 | Д226 | Д226 | Д226 | Д226 |
| VD9 | КД206А | КД206А | КД206А | КД206А | КД206А |
| VD10 | Д814А | Д814А | Д814А | Д814А | Д814А |
| VT1,VT2,VT3 | КП303 | КП303 | КП303 | КП303 | КП303 |
| VT4 | КТ808А | КТ808А | КТ808А | КТ808А | КТ808А |
| VT5 | КТ630А | КТ630А | КТ630А | КТ630А | КТ630А |
| VT6 | КТ208А | КТ208А | КТ208А | КТ208А | КТ208А |
| VT7 | КТ208Г | КТ208Г | КТ208Г | КТ208Г | КТ208Г |
| VS1,VS2,VS3 | 2N6506 | 2N6506 | 2N6506 | 2N6506 | 2N6506 |
По согласованию с преподавателем выбирается номер варианта исследуемой схемы, осуществляется ее создание в среде Micro-Cap. Для исследования тиристорного стабилизатора напряжения выполняется анализ по постоянному току, анализ переходных процессов и динамический анализ по постоянному току (по результатам анализа строятся характеристики и рассчитываются основные параметры ТСН).
1. Анализ по постоянному току (график АПХ, расчет Кст, КПД).
Построение графика АПХ.
Используется анализ по постоянному току DC. В окне Micro-Cap выбирается вкладка Анализ-Анализ по постоянному току. В появившемся окне необходимо указать диапазон изменения входного напряжения. Для этого в строке Variable1 установить: Method= Auto, Name= Vl, Range=16,0,0.1. В нижней части окна задать параметры графика АПХ: P=l, (выражение по оси Х) X Expression=V(l), (выражение по оси Y) YExpression=V(26), (масштаб оси) X Range= AutoAlways, (Масштаб по оси Y) YRange= AutoAlways. Запустить анализ кнопкой Run (рис. 3).
Рис. 3. Установки анализа по постоянному току
На экране появляется график зависимости V(26)= f( V( l)) (Рис.4). Для того, чтобы определить минимальное допустимое входное напряжения стабилизатора, найдем и обозначим параметры точки излома АПХ, используя кнопку TagMode (Точка перегиба) на панели инструментов. Первое значение соответствует координате по горизонтали и принимается как искомая величина, второе значение соответствует координате по вертикали и является выходным напряжением стабилизатора в рабочем режиме.
|
Рис 4. Точка перелома графика
Коэффициент стабилизации схемы определяется в виде:
, (1)
где 
– наклон АПХ.
Наклон АПХ определяется в окне результатов моделирования при использовании двух перемещаемых курсоров в виде перекрестий линий, сопровождающихся показаниями координат их местоположения на графике. Курсоры могут быть точно установлены в заданные точки как по оси Y, так и по оси X. На панели инструментов выбираем Goto X (Перейти в точку X). На экране появляется дополнительное окно Goto X, где нужно указать координату левого или правого курсора и нажать соответствующую кнопку (Left или Right). По окончании перемещения курсоров экрана окно закрыть кнопкой Close. При этом в нижней части экрана выводятся координаты точек по осям в колонках Левая и Правая. В колонке Delta (Разность) приводится разница координат точек по осям, а в колонке Slope (Наклон) в первой строке указывается наклон АПХ, рассчитанный по точкам пересечения, а во второй строке - единичное значение.
Для перемещения курсоров в рабочую часть АПХ можно использовать мышь. Курсор мыши выводится в точку АПХ, где должен находиться, затем нажимается левая кнопка мыши, и курсор экрана занимает положение курсора мыши. Для перемещения правого курсора экрана необходимо использовать правую кнопку мыши.
Установим левый курсор экрана в точку Х=12, а правый - в точку Х=16. Регистрируем показания Slope и выполняем расчет коэффициента стабилизации.
2. Анализ переходных процессов ( коэффициент сглаживания пульсаций).
Коэффициент сглаживания пульсаций определяется по формуле:
, (2)
где Uвх, Uвых – амплитуды пульсаций входного и выходного напряжений стабилизатора соответственно. Для определения амплитуд воспользуемся Анализом переходных процессов ( Transient Analysis). В настройках анализа выберем диапазон времени 100мкс. В нижней части окна задаем параметры графика: P=l, X Expression=Т (выражение по оси Х), Y Expression=V(1) (выражение по оси Y), X Range=AutoAlways (масштаб по оси Х), Y Range=AutoAlways (масштаб по оси Y); P=2, X Expression=Т, Y Expression=V(2), X Range=Auto, Y Range=Auto. Запустить анализ кнопкой Run.
Рис 5. Установки анализа переходных процессов
3. Динамический анализ по постоянному току (температурный коэффициент стабилизатора; внутреннее сопротивление стабилизатора).
Температурный коэффициент стабилизатора.
Данный коэффициент равен отношению приращения выходного напряжения к приращению температуры окружающей среды , при неизменном входном напряжении и токе нагрузки ( 
:
.
Для определения температурного коэффициента воспользуемся динамическим анализом по постоянному току (Dynamic DC). С этой целью во вкладке Анализ выбираем Динамический анализ по постоянному току. Определим напряжение выхода при температуре -10°С и 50°С.
Рис 6. Установки динамического DC анализа
Далее необходимо отобразить узловые потенциалы на нашей схеме. Для этого нажмём на кнопку 
. Для запуска анализа нажмём «Ок». Зарегистрируем потенциал на выходе, т.е. под точкой «26».
а) б)
Рис. 7. Динамический DC анализ: а – Т=-10°С; б – Т=50°С
Подставляя полученные значения в формулу (3), получим значение ТКН.
Внутреннее сопротивление стабилизатора ri, определяется как отношение приращения выходного напряжения ∆Uвых к приращению тока нагрузки ∆IН, при неизменном входном напряжении Uвх=const:
ri =∆Uвых /∆Iн.
Зная внутреннее сопротивление стабилизатора, можно определить изменение выходного напряжения при изменении тока нагрузки. В стабилизаторах напряжения внутреннее сопротивление может достигать тысячных долей ома.
Для определения внутреннего сопротивления стабилизатора воспользуемся динамическим анализом по постоянному току(dynamic DC). Далее необходимо измерить значения тока и напряжения в нагрузке, так же зафиксировать их изменения при изменении сопротивления нагрузки. В установках анализа укажем комнатную температуру (т.е. 27°С). Нажмём на кнопки, позволяющие отобразить токи и узловые потенциалы.
Рис. 8. Установки динамического DC анализа
На основе полученных данных находим внутреннее сопротивление стабилизатора.
4. Метод Монте-Карло.
На данном этапе осуществляется построение графика зависимости выходного напряжения от разброса номиналов элементов схемы (анализ Монте-Карло). Необходимость снятия этой зависимости обуславливается тем, что в результате старения элементов и произвольным дрейфом параметров отдельных ее элементов (транзисторов, конденсаторов, резисторов и т.п.) происходит разброс номиналов элементов схемы. Таким образом, анализ Монте-Карло позволяет рассматривать работу математической модели схемы, максимально приближенной к реальным условиям.
Для проведения анализа методом Монте-Карло необходимо задать разброс параметров пассивных элементов схемы. Проделаем это на примере резистора R1. Дважды щелкнем на резисторе левой кнопкой мыши и вызовем тем самым окно настройки компонента. В пункте MODEL пропишем RES1 и щелкнем клавишу Enter. Далее пройдем в меню Models в нижней левой части экрана. В поле пропишем команду RES1 RES (R=1 DEV=10%). Что означает – варьировать случайным разбросом сопротивление модели RES1 в пределах 10 % относительно номинала. Проделаем аналогичную операцию для всех пассивных элементов цепи.
Рис.9.Окно «Resistors»
Рис.10. Рабочее поле вкладки «Models»
Следующим шагом является проведение Анализа по постоянному току . В верхнем рабочем поле появиться вкладка Монте-Карло (Рис. 15). Далее вызываем меню настройки анализа методом Монте-Карло, нажав на кнопку Опции. Выберем в нем распределение Гаусса ( Gauss), Число вариантов установим равным 300 . В окне Статус выберем Вкл. Нажав кнопку Get, вызовем меню функций, по которым будет проводиться анализ. В графе Function выберем параметр Slope. Нажимаем кнопку Да.
Рис.11. Вкладка «Монте-Карло»
Рис.12. Окно «Опции Монте-Карло»
Затем необходимо повторить DC анализ. На графике отобразятся итоги всех трехста выборок. В меню настройки выбираем пункт Histograms 
Add Histogram. На экране появится гистограмма распределений Slope (рис.13).
Рис.13.Гистограмма распределений
Порядок выполнения работы
1. Ознакомиться с целью работы, изучить теоретические сведения о программном пакете схемотехнического моделирования Micro-Cap и типовых стабилизаторах постоянного напряжения.
2. Получить задание у преподавателя на исследование конкретной схемы ТСН.
3. Включить компьютер, войти в программную среду Micro-Cap и создать заданную схему.
4. Провести необходимый анализ схемы с помощью средств Micro-Cap, получить соответствующие графики (например, входного и выходного напряжений и др.), определить параметры схемы, сделать выводы.
5. Подготовить отчет о работе.
Содержание отчета
1. Введение.
2. Цель работы.
3. Задание на моделирование.
4. Краткие теоретические сведения о полученных в задании схемах.
5. Анализ схем с помощью пакета Micro-Cap и интерпретация полученных результатов.
6. Заключение.
7. Список литературы.
3.6. Контрольные вопросы
1. Каковы преимущества схемотехнического моделирования с помощью программных средств по сравнению с физическим экспериментом?
2. Что представляют собой математические модели радиоэлектронного объекта и его компонентов?
3. Основные характеристики программного пакета Micro-Cap.
4. Общие сведения о программе расчета параметров моделей аналоговых компонентов Model в пакете Micro-Cap.
5. Как создается схема в среде Micro-Cap?
6. Какие виды анализа схемотехнических устройств можно провести с помощью программы Micro-Cap.
7. Что представляют собой параметры источников вторичного электропитания?
8. Каковы достоинства и недостатки источников электропитания с непрерывным и импульсным регулированием?
9. Опишите работу тиристора по его эквивалентной схеме и ВАХ.
10. Нарисуйте структурную схему ТСН, поясните принцип работы стабилизатора.
Компьютерный блок питания
Цель работы
Целью работы являются исследование принципа работы и внутреннего устройства компьютерного блока питания, а также его моделирование в среде Micro-Cap.
Дата: 2019-11-01, просмотров: 210.
