4.2 Хід роботи:

1. Виконати моделювання характеристик напруги та струму для схеми згідно варіанту (додаток А) за допомогою Transient- аналізу. Побудувати графіки напруги на вході та на виході. Визначити фазу вихідної напруги (затримку, випередження).

2. Визначити передаточну функцію схеми (див. формулу 4.1).

3. Отримати АЧХ та ФЧХ кола за допомогою AC-аналізу. Проаналізувати АЧХ та ФЧХ, визначити смугу пропускання. Поясніть за допомогою АЧХ та ФЧХ, фільтр яких частот моделюється (низьких, високих).

4. Провести моделювання, замінивши вхідне джерело синусоїдної напруги на джерело напруги прямокутної форми (PULSE). Визначити, до якого типу (інтегруючий, або диференціюючий ланцюг) відноситься схема. Визначити постійну часу.

5. Провести моделюванням підтвердження законів комутації, проаналізувавши отримані перехідні (імпульсні) характеристики.

6. Замінивши схему на дуальну, повторити п.1-5.

7. Синтезувати засобами МС (підпрограми Design) фільтр із визначеною в п.3 АЧХ, використовуючи для апроксимації поліном мінімального порядку. Порівняти отриману в результаті схему із заданою.

4.3 Контрольні питання:

1. Пояснити відмінності фізичних процесів у індуктивному і ємнісному фільтрах.

2. Компонентні рівняння для пасивних двополюсників.

3. Закони Кірхгофа.

4. Закони комутації.

5. Паралельний та послідовний резонанси.

6. Частотні характеристики пасивного фільтра: АЧХ, ФЧХ, смуга пропускання, коефіцієнт передачі.

7. Кола інтегрування та диференціювання. Вивід рівняння для вихідної напруги.

8. Принцип дуальності.

9. Векторні діаграми для пасивних RLC-кіл (задача).

10. Коефіцієнт потужності, його корекція [5-7].

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №5

Тема: Моделі діодів. Аналіз випрямляча із фільтром.

Мета: Дослідити схему заміщення та рівняння моделі Еберса-Молла для діода та стабілітрона. Проаналізувати характеристики випрямлячів.

5.1 Основні теоретичні відомості

5.1.1 Моделі діодів

Напівпровідниковий діод – найбільш розповсюджений в електронній апаратурі нелінійний елемент [4-7].

Напівпровідникові діоди використовують як у дискретній, так і в інтегральній схемотехніці. Застосування дискретних діодів характеризується широким діапазоном перетворених сигналів, як по потужності, так і по швидкодії. Модель діода, зображена на рис. 5.1 є універсальна нелінійна модель, що базується на рівняннях Еберса-Молла [9, 10], які описують електричні процеси в діоді в статичному і динамічному режимах при прямому та зворотному зміщенні, за винятком області пробою p-n переходу.

а б

Рисунок 5.1 – Схема заміщення моделі діоду

Існує 4 типи моделі діода в середовищі SPICE-сумісних програм, наприклад в бібліотеці МС9 [16]:

- Level 1: Standard SPICE;

- Level 2: PSpice;

- Level 4: Juncap;

- Level 200: Juncap 2.

Перший тип Level 1 - це стандартна SPICE-модель діода з додаванням лінійного опору, поєднаного паралельно, що враховує явища витоку. Другий тип Level 2 сумісний з PSpice моделлю діода. Третій і четвертий типи – Level 4: Juncap і Level 200: Juncap 2 відповідно враховують дифузійну область діодів, що складаються з витоку, стоку і переходів канал-підкладка в МОНТ. У цих моделях враховані деякі просторові ефекти, у тому числі зміна щільності струму в залежності від геометрії областей. Таким чином, модель стає фізико-топологічною, що має як переваги, так і недоліки для користувача.

Модель діода SPICE враховує генераційну і рекомбінаційну складові струмів, область закритого і відкритого станів.

Схема заміщення (рисунок 5.2) складається з ідеального діода, зображеного у вигляді нелінійного залежного джерела струму І(V), ємності р-n-переходу С и об'ємного опору RS.

Рисунок 5.2– Схема заміщення Spіce -моделі діоду

Струм діоду представляється у вигляді різниці струмів прямого та зворотного:

.

Залежність

.

апроксимує ВАХ діода при позитивній напрузі на переході V.

Тут K_inj – коефіцієнт інжекції;

K_gen – коефіцієнт генерації;

;

;

I_fwd – прямий струм діода;

I_rev – зворотний струм діода .

I_n = IS {exp[V/(NR V_t)]-1} – нормальна складова прямого струму I_fwd;

I_rec = ISR{exp[V/(NRV_t)]-1} – струм рекомбінації.

Струм діода при негативній напрузі на переході характеризує явище пробою. Він має дві складові:

,

де V_t = kT/q – температурний потенціал переходу (0,026 В при номінальній температурі 27°С);

Ємність переходу С дорівнює

,

де С_t - дифузійна ємність переходу;

C_t = TT·G;

C_j – бар’єрна ємність переходу;

G = d(K_inj l)/dV – диференційна провідність переходу для поточних значень I та V.

Значення параметрів IS, V_t, VJ, CJO, KF, AF, EG беруться для номінальної температури T_nom; для кремнію EG₀ = 1,16 еВ, а = 7-10^-4, b = 1108; Х_TI = 3 для діодів с р-n - переходом и Х_TI = 2 для діодів с бар’єром Шоткі.

Значення номінальної температури T_nom встановлюється за допомогою опції T_nom (по умовчанню 27°С).

Скалярний множник Area дозволяє визначити еквівалентний діод, що характеризує рівнобіжне включення декількох однакових приладів або прилад, що займає велику площу. З його допомогою змінюються значення параметрів ІS, ІRS, ІBV, ІBVL, RS і CJO.

Як приклад, приведемо опис параметрів моделі діода Д104А на мові Spice:

.model D104A D(IS = 5.81e-12 RS = 8.1 N = 1.15 + TT = 8.28nS CJO = 41.2pF VJ = 0.71 M = 0.33 + FC = 0.5 EG = 1.11 XTI = 3).

Параметри моделі діода наведені у додатку Б.

У ECAD для діоду і стабілітрону використовують одну універсальну модель.

5.1.2 Випрямлячі

Випрямлячі це пристрої, які перетворюють змінний струм у постійний (пульсуючий), вони використовуються в джерелах живлення електронної апаратури [5-7].

Двопівперіодна однофазна мостова схема і часові діаграми, що пояснюють її роботу, наведені на рисунку 5.3. У цій схемі до однієї діагоналі утвореного діодами моста – діагоналі змінного струму – підімкнено вторинну обмотку трансформатора, а до іншої – діагоналі постійного струму – навантаження. Діоди VD1 і VD3 складають катодну групу, a VD2 і VD4 – анодну (за ознакою з’єднання разом однакових електродів).

За позитивної півхвилі напруги U₂ (полярність зазначена без дужок) струм протікає через діоди VD1 і VD4. До діодів VD2 і VD3 у цей час прикладена зворотна напруга, амплітудне значення якої дорівнює U_2m, тому що закритий діод (наприклад, VD2) через діод, що проводить струм (VD4), підмикається паралельно до вторинної обмотки трансформатора.

Рисунок 5.3 – Однофазний мостовий випрямляч: а - схема;

б - часові діаграми його роботи

За негативної півхвилі (полярність зазначена у дужках) струм проводять діоди VD2 і VD3, тобто у провідному стані в мостовому випрямлячі завжди знаходяться два діоди – один катодної групи і один анодної.

Для живлення навантажень середньої і великої потужності використовують трифазні схеми випрямлення, що порівняно з однофазними мають ряд переваг: суттєво нижчий коефіцієнт пульсацій, а отже більш ефективне використання згладжуючих фільтрів, ефективне використання габаритної потужності трансформатора, краще використання вентилів за струмом [6,7].

Основна ідея підвищення пульсаційності випрямлячів чи інверторів полягає у використанні зсуву фаз живлячих напруг окремих вентилів, чи схем випрямлення. Найбільш просто реалізувати це, використав зсув фаз лінійних та фазних напруг в трифазній мережі живлення. Найрозповсюдженішими з трифазних схем випрямлення є однопівперіодна з нульовим виводом (схема Міткевича) та двопівперіодна мостова (схема Ларіонова).

Схема Ларіонова і часові діаграми, що пояснюють її роботу, зображені на рисунку 5.4. Кожний діод у цій схемі працює одну третину періоду, тому середній струм через нього I_а складає третину значення середнього випрямленого струму навантаження I_d. У закритому стані потенціал анода діода у кожен момент часу визначається напругою своєї фази, а потенціал катода – напругою фази, що живить навантаження.

б)

а)

Рисунок 5.4 - Трифазна мостова схема (схема Ларіонова)

Первинна і вторинна обмотки трансформатора у цій схемі можуть з’єднуватися як у зірку, так і в трикутник. Тут шість випрямних діодів, увімкнених в трифазну мостову схему, утворюють дві групи: анодну (VD1, VD2, VD3) і катодну (VD4, VD5, VD6).

Навантаження вмикається між спільними точками анодної і катодної груп діодів. Можна виділити три однофазних мости, підімкнених до відповідних лінійних вторинних напруг і паралельно до навантаження.

В провідному стані у схемі Ларіонова завжди знаходяться два діоди: один із анодної групи і один з катодної. Струм протікає від фази з найбільш позитивною на даний момент напругою до фази із найбільш негативною напругою. Тобто, як видно з рисунку 5.4,б, потенціал з’єднаних катодів (плюс випрямляча) змінюється за верхньою огинаючою синусоїд, а потенціал з’єднаних анодів (мінус випрямляча) – за нижньою. Отже, струм навантаження у даній схемі тече під дією лінійної напруги.

Частота пульсації випрямленої напруги більша за частоту мережі у шість разів: f₍₁₎ = 6f_м. Амплітуда пульсацій складає менш за 6 %. У цій схемі відсутнє підмагнічування магнітопровіду трансформатора, оскільки у вторинному колі кожної з його обмоток за період напруги мережі струм протікає двічі, причому у різних напрямках. Зворотна напруга на діоді, як і у схемі Міткевича, дорівнює лінійній, а струм через діод також протікає протягом третини періоду [5-7].

Фільтр застосовується для згладжування пульсацій випрямленої напруги до рівня, необхідного для нормальної роботи навантаження. При цьому коефіцієнт пульсацій випрямленої напруги визначається як відношення амплітуди основної гармоніки пульсацій U_m(1) до значення постійної складової. Якість фільтра характеризується коефіцієнтом згладжування, що дорівнює відношенню коефіцієнта пульсацій на вході фільтра К_п(1)вх до коефіцієнта пульсацій на його виході К_п(1)вих: