1. Начальные действия.

2. Создаём отдельную папку для хранения файлов работы (например, Transformer) по правилам программы PSpice: в полном пути к папке должны быть только латинские буквы и цифры. Русские буквы, специальные символы, пробелы недопустимы.

3. Создание макромодели силового трансформатора.

4. Запускаем программу Schematics.

5. Рисуем схему макромодели силового трансформатора в соответствии с Рис. 1.

Рис. 1.

Большинство элементов нам уже знакомо (резисторы, индуктивности и параметры). Дополнительными элементами являются выводы макромодели (In0, IN1, OUT0, OUT1) и модель ферромагнитного сердечника K.

Выводы, называемые портами или интерфейсами, разделены на входные (слева) и выходные (справа). Им соответствуют элементы IF_IN и IF_OUT.

В качестве ферромагнитного сердечника K выбираем стандартный сердечник общего назначения kbreak. Его символ выглядит, как квадратик с буквой К внутри. Эта модель позволяет имитировать гистерезисные свойства электротехнической стали.

6. Задаём указанные параметры для всех элементов схемы.

7. Даём имена портам макромодели. Для этого дважды щелкаем по символам портов и в диалоговом окне вводим имена (In0, IN1, OUT0, OUT1) в соответствии с Рис. 1.

8. Сохраняем схему в нашей папке (под именем, например, TRANS).

9. Редактируем параметры сердечника. Для этого:

   1. Выделяем сердечник К.

   2. В меню EDIT (ALT + E) выбираем пункт MODEL.

   3. В появившемся окошке выбираем пункт Edit Instance Model (Text).

   4. В следующем окне Edit Model Text видим текстовое описание модели сердечника kbreak. Большую часть описания составляют комментарии (* в первой колонке). Их можно удалить. Нам необходимо ввести новые параметры:

.MODEL TOR CORE MS=1.5E6 A=182 C=.106 K=110

+ AREA=4.2 PATH=17.60000 PACK=0.98 GAP=0

Символы продолжения строк (знак «+» в первой колонке) необязательны.

10. ВНИМАНИЕ! Теперь нам нужно сохранить нашу модель сердечника в нашей папке. В окне редактирования модели есть окно SAVE TO. В нём автоматически указан путь к нашей папке и имя TRANS.lib. ОБЯЗАТЕЛЬНО проверьте, что указан путь к Вашей папке! Поменяйте имя файла на TOR.lib. Нажмите OK. Окно редактирования закроется. Модель нашего сердечника сохранится.

11. Сохраним схему макромодели трансформатора. Теперь мы можем использовать нашу макромодель. Для этого создадим основную схему.

1. Создание основной схемы тву.

   1. В меню FILE (ALT + F) выберем NEW. Появится новое окно для новой схемы.

   2. Сохраним новую схему (под именем, например, BASE) в той же папке, что и схему трансформатора.

   3. Вставим в схему наш трансформатор. Для этого поместим на лист элемент DRAW BLOCK (рядом с кнопкой ввода нового элемента)

или через меню DRAW (ALT + D), выберем пункт BLOCK.

На листе появится прямоугольник, символизирующий макромодель. Имя блока – HB1. Этот элемент будет контейнером для нашей макромодели.

4. Для того, чтобы поместить в контейнер макромодель, дважды щёлкнем по прямоугольнику HB. Появится диалоговое окно, в котором нам предлагается указать имя схемы макромодели. Указываем имя TRANS или нажимаем кнопку BROWSE и выбираем схему трансформатора. Появляется окно с макромоделью.

5. Теперь нам нужно вернуться в главную схему. Нажимаем клавишу F3 или в меню NAVIGATE выбираем пункт PUSH (вытолкнуть). Видим, что у прямоугольника появились 4 вывода – слева входы, справа – выходы. Через эти выводы мы можем подключать модель трансформатора (рис. 2).

Если по каким-либо причинам клавиша F3 не работает, через закладку Window выбираем файл BASE.

Рис. 2.

6. Теперь рисуем схему ТВУ. Добавляем источник переменного напряжение V1 типа VSIN, мостовой выпрямитель D1 – D4 (диоды типа MUR410), сопротивление нагрузки R1, как на рис. 3.

7. Изменяем параметры элементов схемы (V1, R1), переименовываем HB1 в TR1.

8. Указываем имена узлов схемы (1 – 5), дважды щелкая по соответствующим проводникам и вводя номера в окошке LABEL.

Рис. 3.

9. Проведем моделирование переходного процесса с параметрами (Analysis –> Setup –> Transient):

Print Step: 0ns

Final Time: 200ms

No-Print Delay: 0s

Step Ceiling: 10us

SKIPBP

и Опциями OPTIONS:

ABSTOL=1uA

ITL4=30

VNTOL=1mV

10. Сначала на графике (рис. 4) выведем напряжения (нижний график)

на нагрузке (V(2) – V(12)),

среднее на нагрузке (AVG(V(2) – V(12))),

абсолютное на входе выпрямителя (ABS(V(4) – V(3))),

действующее на выходе трансформатора (RMS (V(4) – V(3))).

11. Добавим полотно для токов (PLOT –> Add Plot to Window) и выведем токи (верхний график)

нагрузки (I(R1)),

средний нагрузки (AVG(I(R1))),

диодов (I(D1), I(D2)),

средний диода D1 (AVG(I(D1))).

12. Укажем по оси X более узкий диапазон – Plot –> Axis Settings –> User Defined –> From –> 160ms.

13. Чтобы графики сохранялись при последующих моделированиях, установим галку в Analysis –> Probe Setup –> Restore last Plot Session.

Рис. 4.

14. Добавим в схему конденсатор фильтра C1 емкостью 2000мкФ (2000uF) между узлами 1 и 2 (рис. 5).

Рис. 5.

15. Повторим моделирование. Результаты показаны на рис. 6.

Рис. 6.

16. Добавим в схему интегральный стабилизатор напряжения U1 типа LM7812C на выходное напряжение 12В (числа возле U1 обозначают номера выводов микросхемы). Верхний вывод нагрузки R1 назовем 6 (рис. 7).

Рис. 7.

17. Промоделируем схему (результат на рис. 8), добавим (на графики напряжения) напряжение на нагрузке V(6) – V(1).

Рис. 8.

ЗАДАНИЕ 19.

ПАССИВНЫЕ ФИЛЬТРЫ.

1. ПАССИВНЫЙ ФИЛЬТР НИЖНИХ ЧАСТОТ (ФНЧ).

1.1. Поведение ФНЧ в частотной области.

Моделирование фильтров в частотной области проводится с помощью методов описания модели в комплексной форме. Частота источника питания изменяется в заданных пределах, как правило, вблизи центральной частоты (частоты среза). В программе PSpice расчет происходит по директиве AC Sweep.

В программе Schematics рисуем схему RC фильтра нижних частот:

Здесь R1 и C1 – резистор и конденсатор ФНЧ, RL – сопротивление нагрузки.

Модель источника напряжения V1 – VAC. Параметры источника:

• DC – постоянная составляющая = 0 В.

• ACMAG – амплитуда синусоидального напряжения = 1 В.

• ACPHASE – фаза = 0 градусов.

Список параметров и их значений – модель PARAM. Значения параметров R и C указываются в фигурных скобках ({}).

Заземление – AGND.

1 и 2 – метки (номера) узлов (правой кнопкой мыши на проводнике, окно ввода метки).

Частоту среза FS ( ) и сопротивление R ( ) задаем, как параметры. Емкость конденсатора фильтра определяем по очевидному соотношению:

Сохраните схему под именем, например, FLF (Filter Low Frequency).

Метод расчета AC Sweep задаем в разделе Analysis –> Setup. Нажав «AC Sweep», попадаем в окно AC Sweep and Noise Analysis, где задаем:

• AC Sweep Type –> Decade – логарифмическое декадное (десятикратное) изменение частоты.

• Pts/Decade – число точек в декаде.

• Start Freq. – начальную частоту – 10Гц (в 100 раз меньше FS – -2 декады).

• End Freq. – конечную частоту – 10кГц (в 100 раз больше FS – +2 декады).

Закрываем оба окна – OK, Close.

Проверяем правильность ввода схемы: Analysis –> Electrical Rule Check и –> Create Netlist. Если не последует замечаний, можно начать моделирование (F11 или Analysis –> Simulate).

По окончании моделирования открывается окно результатов. Там показана зависимость выходного напряжения фильтра от частоты (АЧХ). Чтобы получить результат в децибелах (20lg(Uвх/Uвых)), дважды щелкаем по выводимой переменной V(2). Попадаем в окно выбора результата. В правой части выбираем функцию вывода в децибелах DB(). Она появляется в строке выбора внизу, курсор – между скобок. Вводим формулу V(2)/V(1). OK.

Добавляем график фазового угла (ФЧХ) Plot –> Add Plot to Window. Добавляем в новое полотно функцию вывода фазы сигнала Р(). В скобках указываем V(2).

Вид графика показан ниже.

Видим, что спад амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) начинается на частоте среза FS (спад на 3 Дб), скорость спада – -20 Дб / декаду. Фазовый угол на низких частотах близок к 0°, на частоте среза составляет 45°, на высоких частотах приближается к 90°.

На частоте 10FS сигнал подавляется в 10 раз. С увеличением частоты подавление увеличивается.

1.2. Поведение ФНЧ во времени.

Поведение фильтра во времени можно исследовать, подавая на его вход прямоугольный сигнал.

Сохраните схему (Save As) под именем FLFT.

Замените источник VAC на VPULSE (его параметры указаны на схеме):

Метод расчета Transient задаем в разделе Analysis –> Setup. Нажав «Transient», попадаем в окно Transient, где задаем:

После моделирования получаем график выходного сигнала по времени. Добавляем график входного сигнала V(1). Результат показан на рисунке на следующей странице.

Изменим параметры источника VPULSE: PW = 0.2 ms, Per = 0.4 ms. Снова промоделируем.

График на следующей странице.

1.3. Повышение крутизны спада АЧХ. Фильтр второго порядка.

Для улучшения избирательных свойств ФНЧ можно включить последовательно два предыдущих ФНЧ (1-го порядка). Мы получим ФНЧ 2-го порядка.

Открываем схему FLF.sch, сохраняем её под именем FLF2 и модифицируем, как показано ниже.

Проводим исследование АЧХ и ФЧХ, как в пункте 1.1. Полученные АЧХ и ФЧХ показаны ниже.

Видим, что крутизна спада ФЧХ увеличилась вдвое до -40 Дб / декаду. Десятикратное подавление происходит уже на частоте ~ 30 кГц.

1.4. Поведение ФНЧ 2-го порядка во времени.

Модифицируем схему FLFT (откроем и сохраним, как FLF2T):

Проведем моделирование, как в пункте 1.2.

Результаты показаны на графике.

2. ПАССИВНЫЙ ФИЛЬТР ВЕРХНИХ ЧАСТОТ (ФВЧ).

2.1. Поведение ФВЧ в частотной области.

Открываем схему FLF и сохраняем под именем FHF (Filter High Frequency). Модифицируем её:

Проводим моделирование по пункту 1.1.

АЧХ и ФЧХ показаны ниже.

Видно, что ФВЧ подавляет низкие частоты. Крутизна подъема АЧХ на низких частотах составляет +20 Дб / декаду. Фазовый угол уменьшается от 90° на низких частотах до 45° на частоте среза (1 кГц) и на высоких частотах стремится к 0°.

2.2. Поведение ФВЧ в времени.

Открываем схему FLFT и сохраняем её под именем FHFT. Модифицируем:

После моделирования с разными формами сигнала (п. 1.2.) получаем (смотри далее).

2.3. ФВЧ 2-го порядка.

Откройте схему FHF, сохраните её под именем FHF2 и модифицируйте:

Результаты показаны ниже.

Видно, что подъем АЧХ на нижних частотах увеличился до +40 Дб / декаду.

Фазовый угол снижается от 180° на нижних частотах до 90° на частоте среза и далее до 0° на высоких частотах.

3. ПОЛОСОВОЙ ФИЛЬТР (ПФ).

3.1. Поведение ПФ в частотной области.

Открываем один из фильтров первого порядка (FLF или FHF) и сохраняем как FB (Filter Band – диапазон).

Полосовой фильтр представляет собой включенные последовательно ФВЧ (R1 и C1) и ФНЧ (R2 и C2) с одинаковой частотой среза.

АЧХ и ФЧХ показаны ниже.

На нижних и верхних частотах наклоны АЧХ составляют ±20 Дб / декаду. На частоте среза фазовый угол равен 0°.

2.2. Поведение ПФ во времени.

Открываем FLFT или FHFT и сохраняем как FBT. Схема показана далее.

Результаты:

ЗАДАНИЕ 20.

АКТИВНЫЕ ФИЛЬТРЫ.

1. АКТИВНЫЙ ФИЛЬТР НИЖНИХ ЧАСТОТ ВТОРОГО ПОРЯДКА (АФНЧ2).

Схема:

Результат:

2. АКТИВНЫЙ ФИЛЬТР ВЕРХНИХ ЧАСТОТ ВТОРОГО ПОРЯДКА (АФВЧ2).

Схема:

Результат:

3. АКТИВНЫЙ ПОЛОСОВОЙ ФИЛЬТР ВТОРОГО ПОРЯДКА (АПФ2).

Схема:

Результат:

4. АКТИВНЫЙ ШИРОКОПОЛОСНЫЙ ФИЛЬТР ВТОРОГО ПОРЯДКА (АШПФ2).

Схема (расчет AC Sweep от 0.1 ГЦ):

Результат:

5. АКТИВНЫЙ РЕЖЕКТОРНЫЙ ФИЛЬТР ВТОРОГО ПОРЯДКА (АРФ2).

Схема:

Результат: