Neřízené usměrňovače reálné vlastnosti

Transkript

1 Počítačové cvičení BNEZ 1 Neřízené usměrňovače reálné vlastnosti Úkol 1: Úkol 2: Úkol 3: Úkol 4: Úkol 5: Pomocí programu OrCAD Capture zobrazte voltampérovou charakteristiku diody 1N4007 pro rozsah napětí 0V až 1V (analýza DC Sweep). Stanovte úbytek napětí na diodě pro proudy 1 ma, 100 ma a 1A (analýza Bias Point). Výsledek porovnejte s údaji v katalogovém listu diody. V programu OrCAD Capture proveďte časovou simulaci (analýza Time Domain (Transient)) jednocestného usměrňovače (bez vyhlazovacího kondenzátoru) s diodou 1N4007 zatíženého rezistorem velikosti 50Ω. Zdroj bude simulovat síťový transformátor; efektivní hodnota napětí na jeho výstupu je 5V, vnitřní odpor 1Ω. Zjistěte střední (průměrnou) hodnotu výkonu na zátěži a ztrátového výkonu na diodě. Změňte frekvenci zdroje na 50 khz a zjistěte přibližnou dobu zotavení diody 1N4007. Porovnejte zjištěný údaj s údajem v datasheetu. Zapojte na výstup usměrňovače kondenzátor s kapacitou 1000 uf a ekvivalentním vnitřním odporem 400 mω. Frekvenci zdroje nastavte opět na 50 Hz. Stanovte zvlnění výstupního napětí na zátěži v čase 1s. Místo jednocestného usměrňovače zapojte do obvodu dvojcestný usměrňovač (Grätzův můstek). Zjistěte, jak se změnilo zvlnění napětí na výstupu a užitečný výkon na zátěži. pozn. Studentskou verzi programu OrCAD je možné stáhnout ze školního disku: L:\B_EST\prezencni\BAEO\Pocitacova_cviceni\pspice\OrCAD_Stud.zip

2 Nový projekt v OrCAD Capture Z nabídky Start (případně přímo z plochy) spusťte program OrCAD Capture Vytvořte nový projekt: nabídka File -> New -> Project... Typ projektu je Analog or Mixed A/D, zvolte výstižné jméno projektu, umístění volte ve vhodném adresáři na lokálním disku D!!! V další nabídce zvolte Create a blank project. Nyní máte k dispozici projekt se souborem schématu, kam je možné zakreslit simulovaný obvod.

3 Základní příkazy pro práci se schématickým editorem Vložit součástku Place -> Part... kl. zkratka P Kreslit spoj Place -> Wire... kl. zkratka W Vložit GND Place -> Ground... kl. zkratka G Nový simulační profil PSpice -> New Simulation Profile Editovat simulační profil PSpice -> Edit Simulation Profile Spustit simulaci PSpice -> Run kl. zkratka F11 Vložit napěťovou sondu Vložit proudovou sondu Vložit výkonovou sondu Zobrazit napětí v obvodu Zobrazit proudy v obvodu Zobrazit výkony v obvodu PSpice -> Markers -> Voltage Level PSpice -> Markers -> Current Into Pin PSpice -> Markers -> Power Dissipation PSpice -> Bias Points -> Enable... PSpice -> Bias Points -> Enable... PSpice -> Bias Points -> Enable...

4 Práce se schématem Vložení součástky pomocí příkazu Place ->Part. Tlačítkem Remove Library nejdříve odstraníme všechny knihovny v nabídce Libraries (naprostou většinu z nich nepoužijeme). Tlačítkem Add Library... přidáme pouze ty knihovny, které využijeme. Nyní jsou to ANALOG, DIODE a SOURCE. Při výběru lze využít klávesu CTRL. Z knihovny DIODE vybereme diodu D1N4007, potvrdíme OK a součástku máme připravenou na kurzoru pro vložení do schématu. V případě potřeby lze se součástkami, které právě vkládáme, otáčet pomocí zkratky CTRL+R. Dále z knihovny SOURCE vložíme do schématu komponentu VDC (ideální zdroj stejnosměrného napětí). Dále vložíme do schématu dva symboly uzemnění (GND) příkazem Place -> Ground... součástku 0 z knihovny SOURCE.. V nabídce vybereme

5 Schéma zapojení dokončíme propojení součástek příkazem Place -> Wire.

6 Analýza DC Sweep Nyní je třeba vytvořit nový simulační profil: PSpice -> New Simulation Profile Zvolíme vhodné jméno profilu a potvrdíme Create. Z nabídky Analysis type zvolíme DC Sweep. Měnit budeme vstupní napětí, proto jako Sweep Variable zvolíme Voltage source. Jméno zdroje volíme podle schématu, v tomto případě V1. Rozmítání (Sweep type) volíme lineární, počáteční hodnota (Start value) 0, konečná (End value) 1, krok (Increment) 1m (= 0.001) (rozmítání od 0V do 1V s krokem 1 mv). Okno zavřeme tlačítkem OK. Samotnou simulaci spustíme pomocí příkazu PSpice -> Run. Zobrazení průběhů v okně simulace je možné dvěma způsoby: 1. Ve schématickém editoru je možné přidat proudové, napěťové a výkonové markery (sondy) do míst, kde chceme sledovat příslušnou veličinu. V tomto případě nás zajímá proud procházející diodou, proto přidáme marker proudu k této diodě: PSpice -> Markers -> Current Into Pin

7 Proudový marker musí být vždy umístěn na PINu součástky. 2. V okně simulace je možné ručně přidat průběh požadované veličiny příkazem Trace -> Add Trace (klávesová zkratka Insert). V levém sloupci (Simulation Output Variables) jsou dostupné obvodové veličiny, které lze použít pro zápis funkce, kterou chceme zobrazit. Funkce může obsahovat operace v pravém sloupci (Function or Macros). Do řádku Trace Expression je třeba zapsat požadovanou funkci. Pro zobrazení průběh proudu je třeba zapsat I(xx), kde xx je jméno komponenty, u které nás zajímá procházející proud. V našem případě tedy I(D1).

8 Analýza Bias Point Pro zjištění konkrétního napětí na diodě při daném proudu je vhodné použít jiný typ analýzy. Příkazem PSpice -> Edit Simulation Profile změníme typ analýzy na Bias Point (analýza pracovního bodu). Napěťový zdroj ve schématu zaměníme za proudový (IDC) a odebereme markery (delete). Poklepáním na parametr proudového zdroje 0Adc můžeme změnit hodnotu proudu, který zdroj poskytuje. V našem případě potřebujeme 1 ma, proto nastavíme 1m. Spustíme simulaci ( / F11) a zobrazíme napětí v obvodu příkazem PSpice -> Bias Points -> Enable Bias Voltage Display. Po odečtení hodnoty napětí na diodě změníme velikost proudu zdroje I1 a opět spustíme simulaci. Pro kontrolu je možné zobrazit i proud v obvodu příkazem PSpice -> Bias Points -> Enable Bias Current Display.

9 Analýza Time Domain (Transient) Pokud chceme obvod analyzovat v časové oblasti (chceme vidět časové průběhy napětí a proudů), je třeba zvolit analýzu Time Domain (Transient). Zde je nutné zadat především dobu simulace Run to time a maximální velikost kroku simulace Maximum step size. Pro běžné zobrazení je vhodné volit přibližně bodů (kroků). Pro 100 ms záznam je tak vhodné volit krok 10 µs. Pokud bude krok příliš velký, bude výsledný průběh nespojitý. Při volbě příliš malého kroku bude doba simulace velmi velká. Obvodové schéma pro časovou simulaci vypadá následovně. Stejnosměrný zdroj je nahrazen střídavým zdrojem (VSIN z knihovny SOURCE; stejnosměrný offset 0V, amplituda napětí xxv a frekvence 50 Hz). Rezistory jsou komponenty R z knihovny ANALOG. Napětí a proudy v obvodu je možné zobrazit pomocí markerů nebo ručním přidáním průběhu v okně simulace (Add Trace ). Střední hodnotu proudu, napětí či výkonu je možné zobrazit pomocí funkce AVG(xx), kde xx je veličina, jejíž střední hodnotu hledáme. Například AVG(W(R1)) průměrnou hodnotu výkonu na odporu R1.

10 Katalogové listy diody 1N4007 jsou k dispozici na internetových stránkách: