Читать онлайн «OrCAD PSpice. Анализ электрических цепей». Страница 52

Однако часто возникает необходимость в более сложных моделях, учитывающих характеристики конкретных приборов. Набор таких моделей для приборов различных типов предоставляет пользователю программа PSpice, что делает ее мощным исследовательским инструментом.

Чтобы познакомить вас с концепцией использования встроенных моделей приборов, рассмотрим показанную на рис. 9.1 схему однополупериодного выпрямителя, состоящего из источника переменного напряжения, диода и резистора. Проблема здесь состоит в выборе модели диода. Мы могли бы моделировать диод как замкнутый ключ для положительных полупериодов входного напряжения и как разомкнутый ключ для отрицательных полупериодов. Если бы мы это сделали, то разделили бы проблему на две части, потому что в зависимости от режима должны были бы использовать два варианта модели. Однако нет никакой необходимости в таком подходе, поскольку PSpice имеет встроенную модель диода. Чтобы использовать ее, мы должны включить в наш входной файл команду .MODEL, которая имеет следующую форму:

MODEL <имя модели> <тип модели>

Рис. 9.1. Однополупериодный выпрямитель, использующий встроенную модель диода

Выберем для нашего примера D1 в качестве имени модели и D в качестве ее типа. Это необходимо, чтобы программа PSpice могла распознать устройство как диод встроенного типа. Проанализировать работу схемы можно с помощью следующего входного файла:

Half-Wave Rectifier Using Built-in Model

v1 1 0 sin(0 12V 1000Hz)

DA 1 2 D1

R 2 0 1k

.MODEL D1 D

.TRAN 0.1ms 1ms

.PROBE

.END

Обратите внимание на форму команды ввода диода:

DA 1 2 D1

Обозначение DA это выбранное нами имя диода. Оно всегда должно начинаться с D. Диод подключен к узлам 1 (анод) и 2 (катод). Запись D1 в конце строки задает имя модели диода.

Команда анализа переходных процессов .TRAN предусматривает вывод полного периода входного синусоидального напряжения и выходного напряжения на резисторе при частоте f=1 кГц.

Проведите анализ и получите в Probe график v(1) и v(2) для полного периода t=1мс. Убедитесь, что входное напряжение является синусоидальным, а выходное выпрямлено, и поэтому отрицательный полупериод отсутствует. На положительном полупериоде выходное напряжение отличается от входного на величину, равную падению напряжения на диоде. Используйте режим курсора, чтобы определить падение напряжения на диоде при максимуме входного напряжения. Убедитесь, что это падение напряжения равно 0,72 В. На рис. 9.2 показаны временные диаграммы входного и выходного напряжений.

Рис. 9.2. Входное и выходное напряжения в схеме на рис. 9.1

Листинг команды .MODEL может включать в себя и другие параметры. Например, кремниевые (Si) и германиевые (Ge) диоды имеют различные прямые падения напряжения и различные токи насыщения. Чтобы настроить модель диода, вы можете задавать до 14 параметров. Полный список этих параметров дан в разделе D — Диод приложения D.

Чтобы увидеть характеристику для встроенной модели диода в PSpice, можно провести анализ с вариацией входного напряжения на постоянном токе (dc sweep). Схема показана на рис. 9.3. При этом мы будем получать выходное напряжение «точка за точкой», строя характеристику так же, как снимали бы ее в лаборатории. Входной файл будет выглядеть следующим образом:

Built-in Diode Model for PSpice

V 1 0 10V

R 1 2 100

D1 2 0 DMOD

.DC V -0.5V 10V 0.02V

.MODEL DMOD D

.PROBE

.END

Рис. 9.3. Схема для снятия ВАХ диода

В данном примере мы подключили между узлами 2 и 0 диод D1 с именем модели DMOD, что отражено в первом аргументе команды .MODEL.

При проведении анализа в Probe измените границы оси X так, чтобы можно было представить V(2) в диапазоне до 0,8 В и I(D1) в диапазоне до 50 мА. Это даст вам характеристику встроенного диода (рис. 9.4) без изменения ранее определенных параметров. Чтобы отразить специфику конкретного прибора, вы можете изменять модель диода. Например, высота потенциального барьера EG по умолчанию равна 1.1 эВ. Задав новое значение, равное 0,72 эВ, мы отразим в нашей модели параметр, характерный для германиевого (Ge) диода. Вы можете посмотреть, как изменилась характеристика прибора после изменения любого параметра, и после этого продолжить анализ схемы, пользуясь измененной моделью.

Рис. 9.4. BAX диода 

Сгладить выходное напряжение можно, включив конденсатор параллельно сопротивлению нагрузки, как показано на рис. 9.5. Чтобы не допустить существенного снижения выходного напряжения на интервале, когда диод не проводит, емкость конденсатора должна быть выбрана достаточно большой.

Рис. 9.5. Двухполупериодный выпрямитель с емкостным фильтром

Решим эту традиционную задачу при RL=1 кОм и стандартной частоте промышленной или бытовой сети f=60 Гц. Емкость фильтрового конденсатора выберем равной С=25 мкФ. Входной файл:

Half-Wave Rectifier with Capacitor Filter

V 1 0 sin (0 12 60)

DA 1 2 D1

R 2 0 1k

N 2 0 25uF

.MODEL D1 D

.TRAN 0.1ms 33.33ms

.PROBE

.END

Проведите анализ и выберите диапазон времени от 0 до 25 мс. Получите графики v(1) и v(2). Обратите внимание, что выходное напряжение следует за входным так же, как в первом примере, только до момента, когда напряжения достигают максимума. Затем, поскольку конденсатор был заряжен до максимального напряжения, диод перестает проводить. При этом конденсатор разряжается по экспоненте до момента, когда входное напряжение станет достаточным, чтобы снова перевести диод в проводящее состояние. Подробно эти процессы отражены на рис. 9.6.

Рис. 9.6. Процессы в однополупериодном выпрямителе с идеальным диодом и емкостным фильтром

При расчете этой схемы обычно пренебрегают падением напряжения на диоде. Уравнение для максимального тока через диод при этом равно:

Убедитесь, что при заданных значениях параметров, оно дает Im=113,7 мА.

Ток изменяется согласно уравнению i=Imsin(ωt+θ), где θ определен как

θ = arctan ωCRL,

а угол выключения равен

ωt1 = π – θ = 180° – θ,

где t1 — момент выключения диода.

Использование этих уравнений позволяет получить θ = 83,94° и

ωt1 = 96,06°.

Добавьте еще одну ось Y, получите график I(DA). Из графика на рис. 9.7 видно, что выключение происходит в момент t=4,56 мс при величине угла ωt1=98,5°. Убедитесь, что включение происходит в момент t2=18,27 мс при ωt2=34,8°.

Рис. 9.7. Временные диаграммы напряжений в схеме на на рис. 9.5

Максимальное значение выходного напряжения просто равно максимальному значению входного за вычетом падения напряжения на диоде. Это дает максимальное значение v(2)=11,23 В. Размах пульсаций выходного напряжения Vr=11,3–6,49=4,81 В. На рис 9.7 эти результаты представлены в графической форме.

Теперь нетрудно наблюдать влияние емкости С на размах пульсаций выходного напряжения. Измените емкость до значения С=50 мкФ и выполните анализ снова. Получите графики v(1) и v(2). Убедитесь, что размах пульсаций уменьшается при этом до Vr=2,802 В.

Чтобы лучше использовать входное напряжение, применяют двухполупериодный выпрямитель, схема которого приведена на рис. 9.8. Напряжения v1 и v2 снимаются с обмотки трансформатора с заземленной средней точкой. Выходное напряжение v0 подается на R. Входной файл для этой схемы:

Full-Wave Rectifier

v1 1 0 sin(0 12 60Hz)

v2 0 3 sin(0 12 60Hz)

R 2 0 1k

D1 1 2 DA

D2 3 2 DA

.MODEL DA D

.TRAN 0.1ms 2 5ms

.PROBE

.END

Рис. 9.8. Модель двухполупериодного выпрямителя для анализа в PSpice

Проведите анализ и получите в Probe графики для двух входных напряжений v(1), v(3) и для выходного напряжения v(2). Здесь мы видим двухполупериодное выпрямление, когда на протяжении всего периода один из диодов проводит ток. Эти графики показаны на рис. 9.9. Удалите графики напряжений и получите затем график выходного тока I(R). Убедитесь, что ток I(R) достигает на каждом полупериоде максимума (I(R)max=11.28 мА). Согласуется ли это с вашим расчетным значением? График тока нагрузки приведен на рис. 9.10.