Материал: Импульсные стабилизаторы напряжения

Рис. 10.Окно "Resistors"

Рис. 11. 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. 12. Вкладка "Монте-Карло"

Рис. 13. Окно "Опции Монте-Карло"

Рис. 14.Гистограмма распределений

. Расчет выходного сопротивления стабилизатора.

Для определения выходного сопротивления стабилизатора в схеме ИСН произведем замену сопротивления нагрузки на источник тока. Отметим, что источник необходимо включить в направлении протекания тока в схеме.

Для расчета воспользуемся вкладкой Анализ по постоянному току. В появившемся окне Установки анализа по постоянному току необходимо указать параметры ВАХ стабилизатора. Для этого в строке Variable 1 установить: Method=Auto, Name=Il, Range=5,0,.5. В нижней части окна задать параметры графика ВАХ: Выражение по оси X=I(I1), Выражение по оси Y =V(OUT), Масштаб оси X =AutoAlways, Масштаб по оси Y = AutoAlways. Для начала анализа нажать кнопку Запустить (Рис. 15)

Рис. 15. Окно Установки анализа по постоянному току

ВАХ стабилизатора напряжения будет иметь следующий вид:

Рис. 16. ВАХ стабилизатора напряжения

Затем на панели инструментов выбираем Идти по X,указываем координату левого или правого курсора и нажимаем соответствующую кнопку (Left или Right). По окончании перемещения курсоров экрана окно закрыть кнопкой Close. Значение в колонке Наклон (взятое по модулю) и есть искомое выходное сопротивление стабилизатора RВЫХ.

ВЫХ.=

Моделирование схемы проводим по 4-му варианту.

. Построение графика АПХ, расчет Kст, расчет КПД стабилизатора:

Используем анализ по постоянному току DC. В окне Micro-Cap 10.0.7.0 выбираем вкладку Анализ-Анализ по постоянному току. В появившемся окне Установки анализа по постоянному току необходимо указать диапазон изменения входного напряжения. Для этого в строке Variable 1 установить: Method=Auto, Name=Vl, Range=10,0,.5. В нижней части окна задать параметры графика АПХ: Выражение по оси X=V(IN), Выражение по оси Y =V(OUT), Масштаб оси X =AutoAlways, Масштаб по оси Y = AutoAlways. Для начала анализа нажать кнопку Запустить (рис. 3).

Рис. 2. Окно Установки анализа по постоянному току

Рис. 3. График зависимости V(OUT)=f(V(IN))

На экране появляется график зависимости V(OUT)=f(V(IN))(Рис.4). Для определения минимального допустимого входного напряжения стабилизатора найдем и обозначим параметры точки излома АПХ, используя кнопку 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.

Найдем коэффициент стабилизации схемы, определяемый 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 Идти по X. И на экране появляется дополнительное окно Перейти к 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 Разность приводится разница координат точек по осям, а в колонке 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, например, левый курсор экрана, затем нажимается левая кнопка мыши, и курсор экрана занимает положение курсора мыши. Для перемещения правого курсора экрана необходимо использовать правую кнопку мыши.

Рис. 4.Определение параметра Slope

2. Расчет коэффициента 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. Для этого во вкладке Анализ выбираем Анализ переходных процессов. В настройках анализа выберем диапазон времени 25 мкс. В нижней части окна задать параметры графика: Выражение по оси X=Т, Выражение по оси Y =V(IN);Выражение по оси X=Т, Выражение по оси Y =V(OUT); Масштаб оси X =AutoAlways, Масштаб по оси Y = AutoAlways. Для начала анализа нажать кнопку Запустить (Рис.6).

Рис. 5. Окно Установки анализа переходных процессов

На экране появляется график зависимости V(1)=f(t) и V(2)=f(t). Далее следует определить амплитуды этих сигналов. Для этого воспользуемся функцией определения глобального максимума и минимума.

Из графиков можно определить значения амплитуды сигнала на входе и на выходе схемы. Подставляя эти значения в формулу, находим коэффициент сглаживания пульсаций.

Рис. 6. график зависимости V(1)=f(t) и V(2)=f(t)

. Динамический анализ по постоянному току (температурный коэффициент стабилизатора; внутреннее сопротивление стабилизатора).

Температурный коэффициент стабилизатора равен отношению приращения выходного напряжения ∆Uвых к приращению температуры окружающей среды ∆tокр при неизменном входном напряжении и токе нагрузки (Uвх=const,Iвх=const): γ=∆Uвых/∆tокр.

Для определения температурного коэффициента воспользуемся динамическим анализом по постоянному току. Для этого во вкладке Анализ выбираем Динамический анализ по постоянному току. Для начала определим напряжение выхода при температуре -20°С. Также определим, какой потенциал будет в этой точке при 60°С.

Рис. 7. Динамический DC анализ: а - T=-20°С; б - T=60°С

Подставляем полученные значения в формулу:

 ==0,002

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.

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.

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. 10.Окно "Resistors"

Рис. 11. 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. 12. Вкладка "Монте-Карло"

Рис. 13. Окно "Опции Монте-Карло"

Для проведения анализа методом Монте-Карло необходимо задать разброс параметров пассивных элементов схемы (таблица 3).

Таблица 3

Затем необходимо повторить DC анализ. На графике отобразятся итоги всех трехстах выборок.

Рис 6. График анализа метода Монте- Карло

Затем необходимо повторить DC анализ. На графике отобразятся итоги всех трехсот выборок. В меню настройки выбираем пункт HistogramsAdd Histogram. На экране появится гистограмма распределений Slope (рис. 14).

Рис. 14.Гистограмма распределений

. Расчет выходного сопротивления стабилизатора.

Для определения выходного сопротивления стабилизатора в схеме ИСН произведем замену сопротивления нагрузки на источник тока. Отметим, что источник необходимо включить в направлении протекания тока в схеме.

Для расчета воспользуемся вкладкой Анализ по постоянному току. В появившемся окне Установки анализа по постоянному току необходимо указать параметры ВАХ стабилизатора. Для этого в строке Variable 1 установить: Method=Auto, Name=Il, Range=5,0,.5. В нижней части окна задать параметры графика ВАХ: Выражение по оси X=I(I1), Выражение по оси Y =V(OUT), Масштаб оси X =AutoAlways, Масштаб по оси Y = AutoAlways. Для начала анализа нажать кнопку Запустить (Рис. 15)

Рис. 15. Окно Установки анализа по постоянному току

ВАХ стабилизатора напряжения будет иметь следующий вид:

Рис. 16. ВАХ стабилизатора напряжения

Затем на панели инструментов выбираем Идти по X,указываем координату левого или правого курсора и нажимаем соответствующую кнопку (Left или Right). По окончании перемещения курсоров экрана окно закрыть кнопкой Close. Значение в колонке Наклон (взятое по модулю) и есть искомое выходное сопротивление стабилизатора RВЫХ. Подключим к выходу вместо резистора нагрузки источник тока в направлении выходного тока стабилизатора и смоделируем выходную ВАХ. Slope=0,014. Модуль этого значения представляет собой выходное сопротивление стабилизатора Rвых=0,014 Ом.

Заключение

Моделирование всех схем импульсных стабилизаторов напряжения производилось программой Micro-Cap 10.0.Программа обладает более устойчивым алгоритмом моделирования, по сравнению с другими программами.Cap 10.0 позволяет наглядно отобразить практически любые характеристики схем. Данная программа позволяет получать графики различных зависимостей, что даёт возможность с помощью моделирования выявить достоинства и недостатки данных схем.

Выходное сопротивление стабилизатора по графикам найти невозможно, т.к. это не предусмотрено программой. Поэтому его нашли теоретически. Внутреннее сопротивление идеального генератора близко к нулю. Если допустить, что мы используем именно идеальный генератор, то получим выходное сопротивление стабилизатора Rвых = 2,4 Ом и Rвых = 0,014 Ом.

В ходе моделирования схемы импульсного стабилизатора напряжения с расчетными параметрами мы получили коэффициент стабилизации, равный для первого варианта: Кст1=1999,9; исходный коэффициент стабилизации: Кст.исх1=1534

Для 4-ого: Кст4=1446; исходный коэффициент стабилизации: Кст.исх4=1291

а коэффициент сглаживания пульсаций для 1-ого варианта: q1=0,116; исходный коэффициент сглаживания пульсаций: q1исх=0,018; для 4-ого варианта: q4=2,3; q4исх=1,74

Сравнение температурных коэффициентов для 1-го варианта:

ТКНисх1=0,32; ТКНрасч1=0,48;

Сравнение температурных коэффициентов для 4-го варианта:

ТКНисх4=0,0013; ТКНрасч1=0,002;

С рассчитанными параметрами элементов схема работает нормально. В предыдущих расчетах была допущена алгебраическая ошибка при вычислении индуктивности. В дальнейшем следует учитывать, что значение индуктивности, для корректной работы схемы, при моделировании 1 варианта равняется L1=200 мкГн, а для моделирования 4 варианта L2=200 мкГн