С помощью программ схемотехнического анализа

В связи с тем, что создание специализированных учебных лабораторий требует достаточно больших затрат, особую актуальность приобретает использование в учебном процессе имитационного моделирования. В частности, изучение практически любых устройств промышленной электроники возможно при помощи специализированных пакетов программ анализа электронных схем: WorkBench, MicroCAP, DesignLAB и др. При этом в качестве лабораторного стенда используется стандартный персональный компьютер и соответствующее программное обеспечение. Причем использование специализированного программного обеспечения в учебном процессе не требует его лицензирования.

Такой подход к организации учебного процесса позволяет использовать стандартное оборудование для решения широкого круга учебных и исследовательских задач, что обеспечивает рациональную загрузку учебных аудиторий. Кроме того, «виртуальные стенды» легко модифицировать, что позволяет легко перестраивать лабораторные курсы в соответствии с современными требованиями.

Следует отметить, что отладка электронных устройств, выполняемая в процессе моделирования, полностью имитирует работу инженера-исследователя в процессе реального макетирования схем. Исследователь может лучше уяснить принцип действия готового устройства, в случае необходимости расчленив его на отдельные функциональные блоки и, промоделировав их по отдельности, затем соединить в единое целое. Более того, имитационное моделирование позволяет исследовать критические режимы работы схем, вплоть до аварийных, без риска повредить лабораторное оборудование. Процесс моделирования электронных схем на ПК также имеет преимущества перед физическим макетированием в смысле скорости реализации новых технических решений, комфортности условий исследования и техники безопасности.

Однако моделирование ряда устройств промышленной электроники имеет ряд особенностей, затрудняющих решение задачи «в лоб». Одним из классов таких устройств являются импульсные преобразователи напряжения. Поэтому в представленной статье авторы сделали попытку представить методику моделирования одного из таких устройств — импульсного стабилизатора напряжения на основе двухтактного преобразователя со средней точкой.

Допустим, заданы следующие параметры и характеристики импульсного стабилизатора напряжения: входное напряжение E =30 В, выходное напряжение на нагрузке U_Н =5 В, выходная мощность P_Н =20 Вт, частота коммутации ключей f =40 кГц, двойная амплитуда пульсаций напряжения на нагрузке DU_Н =0.05 В, относительная нестабильность выходного напряжения K_Н =0.01, коэффициент заполнения управляющих импульсов для силового ключа в установившемся режиме g =0.25.

Рассчитаем номинальные значения электронных компонентов схемы (Для их расчета и последующего присвоения значений может быть использована в текстовом окне директива.DEFINE):

; ; ,

где I_Н — ток нагрузки, R_Н — сопротивление нагрузки, n — коэффициент трансформации трансформатора.

; , .

L₁, L₂, L_кр — значения индуктивностей первичной и вторичной обмотки и критической индуктивности дросселя соответственно.

Рассчитываем емкость выходного фильтра С_f и индуктивность дросселя L_f:

.

Рассчитываем коэффициент передачи усилителя рассогласования K_u:

.

Тактовый генератор широтно-импульсного модулятора (ШИМ) моделируется источником импульсного сигнала TG (см. рис. 1). В состав самого ШИМ входит также генератор пилообразного напряжения (моделируется источником импульсного сигнала GLIN, см. рис. 1.), компаратор COMP, схема ограничения g, реализованная на генераторе импульсов LIMD и логической схеме «ИЛИ» X2, триггер RST.

Рис. 1. Имитационная модель импульсного стабилизатора

Схемы управления силовыми ключами на МОП-транзисторах реализованы на импульсном генераторе (с частотой вдвое меньшей частоты коммутации f) P12 и функциональных источниках E1, E2, поочередно открывающими транзисторы силовых ключей.

Усилитель рассогласования и цепь коррекция — последовательно соединенные идеальный усилитель (с коэффициентом передачи K_U и уровнем ограничения выходного напряжения 10 В) и RC-цепь R_k-C_k. Сигнал обратной связи с выхода корректирующей цепи заводится на вход ШИМ, замыкая цепь обратной связи импульсного стабилизатора.

На рис. 1 представлена имитационная модель импульсного стабилизатора, построенная в среде программы схемотехнического моделирования MICROCAP VII c определением некоторых моделей (импульсных источников сигналов), знание которых принципиально необходимо для понимания работы схемы.

Рис. 2. Осциллограммы работы стабилизатора в установившемся режиме

Рис. 3. Осциллограмма переходного процесса выхода стабилизатора на установившийся режим.

На рис. 2 представлены осциллограммы работы импульсного стабилизатора в установившемся режиме в следующей последовательности: токи силовых ключей, токи диодов на вторичной стороне, ток дросселя фильтра L_f, напряжение на нагрузке в диапазоне пульсаций, ток намагничивания трансформатора.

Представляет также интерес процесс выхода на режим импульсного стабилизатора при подаче напряжения питания Е. Осциллограммы выхода на режим представлены на рис. 3. Они доказывают устойчивость замкнутой системы стабилизации напряжения.

Конспект лекций по курсу "КОМПЬЮТЕРНЫЙ АНАЛИЗ И СИНТЕЗ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ" (часть 1)

Методическое пособие содержит краткое описание пакета программ схемотехнического анализа MicroCAP-VII (VIII). Рассмотрена методика моделирования электронных устройств при помощи программ схемотехнического анализа и особенности использования для этой цели пакетов MicroCAP-VII (VIII). Пособие сопровождается большим количеством примеров, иллюстрирующих способы задания различных компонентов электронных схем. В нем приведены также примеры моделирования электронных устройств различного класса (включая и цифровые схемы). Дается описание параметров встроенных моделей компонентов.
Пособие предназначено для студентов специальности «Промышленная электроника», изучающих дисциплину «Компьютерный анализ и синтез электронных устройств». Кроме того, оно может быть полезно студентам этой и других специальностей в ходе выполнения выпускных и дипломных работ, а также инженерам и научным работникам, занимающимся разработкой и эксплуатацией электронных устройств.

ОСОБЕННОСТИ УСТАНОВКИ MicroCAP-7

Автором изменены изображения часто используемых компонентов электронных схем (например, резисторов, индуктивностей…) в соответствии с российскими стандартами. Кроме того, добавлен ряд макромоделей, упрощающих моделирование ключевых устройств. Поэтому стандартный каталог необходимо доработать, установив дополнительные компоненты. Для этого порядок установки MicroCAP-7 должен быть следующий:
1. Запустить Setup.exe из каталога SPECTRUM MICROCAP V7.08Spectrum Micro-Cap V7.08;
2. В процессе установки указать необходимый путь для размещения пакета;
3. В образовавшийся каталог с исполняемым модулем MC7.exe скопировать содержимое каталога Add_MC7 с заменой существующих файлов;
4. Снять атрибут «только для чтения» со всего каталога (включая вложенные папки), в котором установился исполняемый модуль MC7.exe;
5. После установки запустить MC7crack.exe из каталога SPECTRUM MICROCAP V7.08CRACK и после запуска указать путь для распаковки — каталог, в котором установился исполняемый модуль MC7.exe;
6. Запустить MC7.exe (MC72.exe — русифицированную версию), зайти в подменю File/Path (Файлы/Пути) и установить пути:
а) для цепей (Data) — пусто (В этом случае анализируемые схемы будут загружаться из последнего открытого командой FILE/Open каталога). Целесообразно каждому пользователю создать свой подкаталог внутри подкаталога поставляемых схем …MC7DATA во избежания долгого перелистывания большого списка файлов.
б) для библиотек (Model Library) —...LIBRARY в) для данных (Picture) —...DATA
После такой установки изображения основных электронных компонентов будут соответствовать российским стандартам.
Для изучения MicroCAP-7 рекомендуется также скачать каталог CIR_LECTIONS, в котором находятся примеры, рассмотренные далее в конспекте лекций.

Примечание. При первом запуске программы новые компоненты видны не будут, но произойдет коррекция конфигурационных файлов и при последующих запусках будет осуществляться работа с обновленной библиотекой компонентов.