Читаем без скачивания Визуальное моделирование электронных схем в PSPICE - Роберт Хайнеманн

 Рис. 13.3. Частотный спектр выходного напряжения мостовой схемы на тиристорах

Очевидно, что если не принять особых мер, эта мостовая схема не отвечает ни требованиям TELEKOM по допустимому уровню помех, ни предписаниям стандартов EMV. Возникает вопрос, поможет ли сглаживающий дроссель значительно снизить уровень помех. Установив дроссель индуктивностью 300 мГн, получаем схему, изображенную на рис. 13.4.

Рис. 13.4. Схема полумоста на тиристорах со сглаживающим дросселем 

Моделирование (от 0 до 100 мс) дает диаграмму выходного напряжения, приведенную на рис. 13.5.

Рис. 13.5. Выходное напряжение (фрагмент) схемы полумоста

Благодаря сглаживающему эффекту дросселя характеристика выходного напряжения стала менее угловатой, что обещает снижение уровня помех. Изображение спектра Фурье (рис. 13.6) подтверждает это впечатление.

Рис. 13.6. Спектр Фурье выходного напряжения схемы полумоста 

13.2. Компенсация реактивной мощности в трёхфазной сети

Важнейшими потребителями электроэнергии являются электрические машины. Кроме активной мощности, которую они затем преобразовывают в механическую, им также необходима и реактивная мощность. Реактивная мощность не «потребляется» электрическими машинами, она всего лишь «берется на время» из сети во время одной части периода и в другой части периода возвращается обратно в сеть. Однако «прокачивание» реактивной мощности через выводы происходит не без потерь. Мелким потребителям предприятия энергоснабжения предоставляют необходимую реактивную мощность бесплатно. Но если реактивная мощность используется широкомасштабно, она должна оплачиваться. Поэтому электрические установки с большим потреблением реактивной мощности (при этом практически всегда речь идет о индуктивной реактивной мощности) должны «компенсироваться». Компенсация индуктивной реактивной мощности происходит за счет подключения потребителей емкостной реактивной мощности, то есть конденсаторов.

На рис. 13.7 изображен симметричный потребитель трехфазного тока в схеме соединения звездой[44]. Каждое из трех ответвлений состоит из последовательного соединения R=10 Ом и L=100 мГн.

Рис. 13.7. Установка трехфазного тока с включаемыми компенсационными конденсаторами 

Через переключатель трехфазного тока S8 могут подключаться три компенсационных конденсатора. На рис. 13.8–13.10 можно видеть, какое действие оказывает компенсация реактивной мощности. На рис. 13.8 изображена схема в некомпенсированном состоянии. На рис. 13.9 показано, что происходит, когда переключатель S8 срабатывает на 100 мс: с этого момента достигается полная компенсация реактивной мощности. На рис. 13.10 схема находится в перекомпенсированном состоянии.

Рис. 13.8. Схема трехфазного тока без компенсации реактивной мощности; переключатель S8 открыт

Рис. 13.9. Схема трехфазного тока с полной компенсацией реактивной мощности за счет подключения при t=100 мс трех конденсаторов емкостью 100 мкФ каждый

Рис. 13.10. Перекомпенсация за счет подключения трех конденсаторов емкостью 200 мкФ каждый 

13.3. Активные фильтры

Шаг 1 Существует много способов реализации активных фильтров. Все они имеют одно общее свойство: их трудно рассчитывать. В данном разделе будет произведен расчет параметров фильтра путем проведения серии испытаний.

Возьмем за основу, пожалуй, наиболее распространенную структуру активного фильтра, а именно универсальный фильтр, изображенный на рис. 13.11.

Рис. 13.11. Универсальный фильтр, реализованный с помощью сумматора и двух интеграторов

В зависимости от того, какое место схемы определяется в качестве выхода, он работает как фильтр верхних частот, фильтр нижних частот или как полосовой фильтр.

Для случая, когда все резисторы и все конденсаторы имеют одинаковые значения, необходимо выяснить, какое значение следует задать для постоянной времени t=RC, чтобы получить фильтр нижних частот с граничной частотой 1 кГц. После проведения серии испытаний было найдено подходящее значение сопротивления R=15 кОм (рис. 13.12).

Рис. 13.12. Частотная характеристика фильтра нижних частот; R=15 кОм и С=10 нФ; граничная частота находится на уровне значения 1 кГц

Анализ переходных процессов (рис. 13.13) позволил выявить один недостаток этой схемы: выходное напряжение сдвинуто по фазе по отношению к входному напряжению на 180°. Для многих применений это не является помехой. Но если вы намерены решить с помощью предложенной схемы какую-либо фазочувствительную проблему, то вам придется включить после выхода фильтра еще один инвертирующий усилитель. К сожалению, такой случай вы уже не сможете смоделировать с помощью демонстрационной версии PSPICE, так как пришлось бы установить в одной схеме четыре операционных усилителя uA741. В виртуальной лаборатории spicelab есть упрощенная модель этого усилителя, благодаря чему вы сможете моделировать схемы, содержащие до пяти подобных элементов. На случай, если и этого окажется недостаточно, в spicelab есть также модель идеального операционного усилителя. Как известно, такой усилитель имеет бесконечно высокое усиление, бесконечно высокое входное сопротивление и выходное сопротивление, равное 0 Ом. При расчетах схем с операционными усилителями почти всегда исходят именно из этих значений, и в большинстве случаев их вполне достаточно и для моделирования. Вы сможете установить в одной схеме немало таких идеальных усилителей, прежде чем столкнетесь с ограничениями демонстрационной версии.

Рис. 13.13. Входное и выходное напряжение фильтра нижних частот; напряжения сдвинуты по фазе

13.4. Минимизация шума усилителя

Вклады отдельных компонентов усилителя в полный шум существенно различаются. Поэтому при проектировании усилителя очень важно выявить те компоненты, участие которых наиболее значительно. В разделе 9.2 вы изображали на экране PROBE полный шум V(ONOISE) усилительного каскада (рис. 9.18). Если вы выберете в окне Add Traces опцию NOISE(V2/HZ), то сможете найти в списке диаграмм под обозначением NTOT<имя компонента> составляющие полного шума отдельных компонентов, а под обозначением NTOT(ONOISE) — действующее значение полного шума. На рис. 13.14 эти диаграммы изображены для выходного МОП-транзисторного каскада (см. рис. 11.2).

Рис. 13.14. Анализ шума выходного МОП-транзисторного каскада 

На диаграмме отчетливо видно, что компонент R3 вносит решающий вклад в полный шум усилителя. Сопротивление R3 определяет верхнюю граничную частоту входного фильтра, препятствуя тем самым попаданию высокочастотных помех на вход усилителя. Если уменьшить вдвое значение R3 (до 470 Ом) и увеличить вдвое значение С3 (до 2.2 нФ), то характеристика входного фильтра останется неизменной. Результат соответствующего анализа шума показан на рис. 13.15.

Рис. 13.15. Шум выходного МОП-транзисторного каскада с измененным входным фильтром

Полный шум уменьшился практически вдвое. По-прежнему компонент R3 является основным источником шума, что дает разработчику почву для дальнейших доработок. Однако — обратите внимание — в результате всех вмешательств эта схема не потеряла устойчивости.

Глава 14

PSPICE и техника автоматического регулирования

Эта глава откроет перед вами окно в мир фантастических возможностей, которые предоставляет программа PSPICE при моделировании регулируемых цепей.

PSPICE обладает непревзойденной гибкостью при конструировании сложнейших регулируемых цепей и располагает обширным аналитическим аппаратом программы PROBE для оценки и сравнения результатов различных алгоритмов регулирования. Конечно, следующие разделы не смогут познакомить вас со всеми возможностями PSPICE для проведения исследований в области автоматического регулирования. Но, ознакомившись с предлагаемым материалом, вы должны войти во вкус и дальше самостоятельно продолжить работу в этом направлении.

14.1. Регулируемые участки

Фрагмент электронной схемы, обладающий переходной характеристикой типа РТ1, является реализацией одного из наиболее распространенных в технике регулирующих алгоритмов. Техническая установка обладает PT-характеристикой, когда возбуждение установки на входе приводит к замедленной реакции на выходе. Задержки создаются энергонакопителями (реактивными элементами, такими как термонакопители или конденсаторы), которые оказывают влияние на потоки энергии, проходящие через эту установку. В зависимости от количества действующих энергонакопителей различают регулируемые участки типов PT1, PT2, PT3 и т.д.