МИНОБРНАУКИ РОССИИ

––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина)

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

А. В. ВАВИЛОВ В. М. ОПРЕ

СИЛОВАЯ ИМПУЛЬСНАЯ ТЕХНИКА

Учебно-методическое пособие

Санкт-Петербург Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

2018

1

УДК 621.3 ББК 31.244 В12

Вавилов А. В., Опре В. М.

В12 Силовая импульсная техника: учеб.-метод. пособие. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2018. 22 с.

ISBN 978-5-7629-2332-3

Содержит методики расчета генераторов импульсов с формирующей цепью в системе схемотехнического моделирования Micro-Cap 9, позволяющие изучать электромагнитные процессы в мощных генераторах импульсов, служащих для питания различных электротехнологических нагрузок.

Предназначено для подготовки бакалавров и магистров по направлениям 13.03.02 и 13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника», также может быть полезно инженерно-техническим работникам и студентам других специальностей.

УДК 621.3 ББК 31.244

Рецензент канд. техн. наук В. В. Кичигин (АО «ДИАКОНТ»).

Утверждено редакционно-издательским советом университета

в качестве учебно-методического пособия

2

ВВЕДЕНИЕ

Главной задачей силовой импульсной техники является получение в нагрузке мощных импульсов тока или напряжения заданных формы, длительности, амплитуды и частоты следования. В качестве накопительных и формирующих элементов используются различные пассивные линейные формирующие реактивные двухполюсники или многополюсники, обеспечивающие как накопление энергии, так и ее реализацию в нагрузке.

Для изучения, исследования, моделирования и проектирования различных схем формирования импульсов могут быть применены разнообразные системы схемотехнического моделирования.

Одной из таких систем является Micro-Cap 9, которая позволяет выполнить графический ввод исследуемой схемы и провести анализ электромагнитных процессов в ней во временно́й области. Система позволяет определить средние, действующие и амплитудные значения токов и напряжений во всех реактивных, ключевых и вентильных элементах, что является необходимым для последующего проектирования и практической реализации генераторов импульсов.

В учебно-методическом пособии рассмотрена методика расчета и анализа схемотехнических решений силовой импульсной техники с использовани-

ем программы Micro-Cap 9 фирмы Spectrum Software [http://www.spectrumsoft.com/]. Представлен краткий экскурс, демонстрирующий основные возможности программы, приведены примеры моделирования различных модуляторов в программе Micro-Cap 9.

1.СИСТЕМА СХЕМОТЕХНИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ MICRO-CAP 9

Micro-Cap 9 – это универсальная программа схемотехнического анализа, предназначенная для решения широкого круга задач. Характерной особенностью этой программы является наличие удобного графического интерфейса, что делает ее особенно привлекательной для непрофессиональной аудитории.

С ее помощью можно анализировать не только аналоговые, но и цифровые схемы. Возможно также смешанное моделирование аналого-цифровых электронных устройств, а также синтез фильтров.

Micro-Cap 9 отличается от младших представителей своего семейства более совершенными моделями электронных компонентов и алгоритмами расчетов. По возможностям схемотехнического моделирования он находится

3

на одном уровне с интегрированными пакетами ORCAD и PCAD, подразумевающими в первую очередь профессиональное использование. Полная совместимость со SPICE-моделями и SPICE-схемами в сочетании с развитыми возможностями конвертирования дают возможность использовать в MicroCap все разработки и модели, предназначенные для этих пакетов, а полученные навыки позволят в случае необходимости быстро освоить профессиональные пакеты моделирования.

Micro-Cap 9 предоставляет обширные возможности для анализа силовых преобразовательных устройств. Программа имеет настройки, включение которых оптимизирует алгоритмы для расчета силовых схем, библиотека компонентов содержит большое число обобщенных ШИМ-контроллеров и непрерывных моделей основных типов преобразователей напряжения для анализа устойчивости стабилизированных источников питания на их основе.

Для изучения данной программы не требуется особого знания языка интерфейса, поскольку все поясняется примерами и иллюстрациями. Поэтому Micro-Cap 9 можно рекомендовать как одну из лучших программ для обучения основам электроники, особенно, если учесть, что разработчики Micro-Cap 9 предлагают к свободному использованию бесплатную демонстрационную версию программы. Она обладает практически всеми качественными возможностями полнофункциональной программы, а ограничения носят по большей части количественный характер (демонстрационная версия позволяет моделировать схемы, число компонентов в которых не превышает 50, расчеты ряда схем проходят несколько медленнее, чем в полнофункциональной версии, ограничена библиотека компонентов, нет встроенной программы подготовки собственных моделей и некоторых других дополнительных функций). Для процесса обучения эти ограничения не являются существенными.

2. ОСНОВНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПРОГРАММ MICRO-CAP 9

Графические возможности:

•Построение принципиальных и функциональных электрических схем при помощи встроенного графического редактора с использованием библиотеки условных графических обозначений электронных компонентов.

•Изменение условных графических обозначений электронных компонентов в соответствии с ГОСТом (по умолчанию используется американский стандарт).

•Добавление к принципиальной схеме рамки и штампа с основными сведениями о схеме.

4

Возможности моделирования:

•Моделирование режимов работы электронных устройств, заданных с помощью принципиальных и функциональных схем.

•Анализ переходных процессов в схемах при подаче напряжения питания и (или) воздействий произвольной формы с построением графиков переменных состояния схемы и их функций: зависящих от времени, зависящих друг от друга и разложенных в ряд Фурье по гармоническим составляющим.

•Анализ малосигнальных частотных характеристик схемы (линеаризованной в окрестности режима по постоянному току) при воздействии на нее одного или нескольких источников гармонического сигнала с постоянной амплитудой

именяющейся частотой. При этом возможен вывод следующих графиков: зависимости комплексных значений переменных состояния (амплитуды, фазы и групповой задержки) от частоты в линейном, логарифмическом, полулогарифмическом (логарифмическом – по оси X или по частоте и линейным– по оси Y) масштабах; зависимости составляющих комплексных величин переменных состояния друг от друга (например, построение годографа радиус-вектора переменной состояния при использовании в качестве переменной X частотно-зави- симой действительной части, в качестве переменной Y – частотно-зависимой мнимой части); зависимости от частоты спектральных плотностей напряжений шума, приведенных к указанным входному и выходному узлам.

•Анализ передаточных характеристик по постоянному току. Возможно проведение анализа при изменении двух входных переменных, что позволяет строить на графике семейства характеристик устройства (как, например, семейство выходных характеристик биполярного транзистора IC (UCE) при различных значениях тока базы IB). При этом возможен вывод следующих графиков: зависимости выбранных переменных состояния от изменяемой входной переменной 1 (DCINPUT1); зависимости переменных состояния схемы друг от друга.

•Использование буфера графиков для трех основных режимов анализа позволяет воспроизвести в окне графиков проводимого вида анализа результаты предыдущих сеансов моделирования всех видов текущей схемы и других схем.

•Динамический анализ схемы по постоянному току с отображением на схеме (по выбору) напряжений, токов, мощностей, состояний полупроводниковых приборов при изменении с помощью движковых регуляторов (Sliders) величин источников ЭДС, тока и сопротивлений резисторов.

5

•Динамический малосигнальный анализ схемы по переменному току (линеаризованной в окрестности рабочей точки по постоянному току) с показом на схеме величин комплексных переменных состояния схемы при различных частотах (задаваемых списком) при изменении величин пассивных компонентов (резисторов, индуктивностей, конденсаторов) с помощью движковых регуляторов Sliders.

•Динамический анализ переходных процессов в схеме с выводом в графическое окно всех заданных переменных в виде графиков во временной области при изменении с помощью движковых регуляторов (Sliders) или другим способом параметров схемы. При этом возможен режим с накоплением всех вариантов графиков или режим отображения последнего варианта.

•Расчет чувствительностей в режиме по постоянному току. В этом режиме рассчитываются чувствительности одной или нескольких выходных переменных к изменению одного или нескольких входных параметров (частные производные по входным параметрам). В качестве входных изменяемых параметров для этого вида анализа могут выступать все параметры моделей, величины пассивных компонентов, символьные параметры.

•Расчет малосигнальных передаточных функций в режиме по постоянному току. Рассчитывается отношение изменения выходного выражения к вызвавшему это изменение малому возмущению входного источника постоянного напряжения (тока). При этом автоматически рассчитываются входное (относительно клемм входного источника) и выходное (относительно узлов выходного напряжения) сопротивления схемы на постоянном токе.

•Расчет нелинейных искажений усилительных схем с использованием математического аппарата спектрального Фурье-анализа.

•Многовариантный анализ для трех основных режимов моделирования: переходных процессов, малосигнальных частотных характеристик и передаточных характеристик по постоянному току. При этом могут изменяться номиналы простых компонентов, величины параметров моделей компонентов, значения символьных переменных с линейным и логарифмическим шагом с возможностью выбора одновременного изменения до 20 параметров или организации до 20 вложенных циклов. Имеется возможность автоматической подписи на выходных графиках каждого варианта анализа. При использовании многовариантного анализа актуально 3D-моделирование, вызываемое из

меню используемого вида анализа. При этом по оси Z откладывается значение варьируемого параметра (или номера варианта при статистическом анализе Монте-Карло) и в пространстве строится поверхность, на которой лежат все кривые многовариантного анализа.

6

•Параметрическая оптимизация схемы для всех режимов анализа (кроме Sensitivity и Transfer function). Для трех основных режимов моделирования оптимизируемая функция выбирается из меню Performance, включающего большой набор стандартных параметров графиков (типа длительность нарастания/спада, глобальный максимум/минимум и т. п.).

•Анализ Монте-Карло – многовариантный анализ при статистическом разбросе параметров компонентов в каждом из трех основных режимов моделирования. Внутри этого анализа возможен вывод гистограмм распределения заданной функции (например, длительности фронта, глобальных максимума и минимума) по интервалам значений.

•Использование графического постпроцессора Probe при анализе переходных процессов, малосигнальном частотном анализе и анализе передаточных характеристик по постоянному току, которое позволяет выводить любые графики переменных состояния схемы без повторения расчета.

Кроме того, пользователь получает дополнительные удобства для вывода графиков интересующих переменных состояния схемы, которые появляются в графическом окне после клика в соответствующем месте схемы.

Синтез аналоговых фильтров:

•Синтез фильтров в соответствии с заданными параметрами: тип фильтра

(ФНЧ, ФВЧ,фильтра полосно-пропускающего – ФПП, полосно-заграждающего– ФПЗ, фазового корректора – ФК), полиномиальная аппроксимация (Батерворта, Чебышева 1-го и 2-го рода, Бесселя и Кауэра), параметры АЧХ (коэффициент передачи, пульсации, ослабления, полоса частот пропускания (задержания)). Синтез пассивных фильтров в виде последовательного соединения RLC-звеньев.

•Синтез активных фильтров в виде последовательного соединения различных звеньев 2-го порядка на основе операционных усилителей (ОУ) (Саллена–Ки, с многопетлевой обратной связью MFB, Тоу–Томаса, Флейше- ра–Тоу, Кервина–Хьюлсмана–Ньюкомба, Аккерберга–Мосберга, звена 2-го порядка с гиратором на ОУ).

Создание новых моделей компонентов:

•Создание моделей диодов, биполярных и полевых транзисторов, операционных усилителей, магнитных сердечников на основе справочных или экспериментальных данных с помощью встроенного оптимизатора (функции

Model).

•Оформление моделей в виде схем-макроопределений с обозначенными выводами и списком параметров, которым затем определяется место в редакторе компонентов.

7

Основные возможности обработки результатов анализа:

•Панорамирование (протаскивание) активного окна графиков с помощью правой клавиши мыши.

•Вывод на экран части графика, заключенного в прямоугольную рамку, обозначенную протяжкой левой клавиши мыши (лупа координат).

•Нанесение на график значений координат X, Y выбранной точки выбранного графика активного графического окна.

•Нанесение расстояния по горизонтали между двумя выбранными точками графика.

•Нанесение расстояния по вертикали между двумя выбранными точками графика.

•Нанесение на график текстовых надписей в относительных (относительно графика выходной переменной) и абсолютных координатах.

•Использование динамической размерной линии (Performance Tag), показывающей заданный параметр графика для всех вариантов многовариантного анализа.

•Управление координатной сеткой построенных графиков.

•Управление параметрами графических окон (цвет, толщина и тип линий координатной сетки и графиков, цвет, тип и размер шрифтов для текстовой информации, цвет окна, цвет заднего фона и т. п.).

•Возможность нанесения на графики специальных значков для их идентификации в режиме черно-белой печати.

•Возможность изображения на графиках расчетных точек жирными точками.

•Команды меню электронной лупы: автоматическое масштабирование

графиков активного графического окна; возврат к исходному масштабу (установленному при окончании расчета); разметка отдельных графиков многовариантного анализа; задание параметров анимации, позволяющих замедлять вывод графиков на экран; задание различных способов нормирования графиков; режим связанных курсоров: синхронное перемещение курсоров по всем графическим окнам; перемещение левого и (или) правого курсора в точки(у) с заданными свойствами, выбранными с помощью функции Performance (функции типа: длительность нарастания (спада) вдоль различных осей, глобальный (локальный) максимум (минимум) и т. п.); нанесение на график координат точек пересечения курсора с графиком, размерных горизонтальных и вертикальных линий; переход к указанной реализации многовариантного анализа; режим двух электронных курсоров для считывания

8