12.5. МОП-транзисторный усилитель как усилитель постоянного напряжения
Входной фильтр выходного МОП-транзисторного каскада, состоящий из R3, R4, С2 и С3, образует полосовой фильтр. Он настроен таким образом, что подходит для любых источников низкочастотных сигналов (компакт-диск, виниловая пластинка, магнитофонная пленка), то есть он изначально настроен на наихудший случай. С2 и R4 образуют фильтр верхних частот с граничной частотой 1.52 Гц, R3 и С3 образуют фильтр нижних частот с граничной частотой 159 кГц. Еще несколько лет назад в наиболее качественных усилителях входной фильтр был сконструирован так, что нижняя граница находилась на частоте 0 Гц. Однако в те времена от такой конструкции фильтра пришлось отказаться, так как усилители передавали даже шум вращения винилового диска.
На рис. 12.5 сопоставлены частотная и фазовая характеристики двух вариантов усилителей: с оригинальным входным фильтром и с входным фильтром, в котором конденсатор С2 коротко замкнут, то есть закорочен фильтр верхних частот. Поясним читателям, зачем это сделано.
Рис. 12.5. Амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристика двух вариантов выходного МОП-транзисторного каскада
Сегодня, когда источники зашумленного низкочастотного сигнала практически уже не используются (проигрыватели вышли из моды, а магнитофонные ленты выпускаются с существенно улучшенными шумовыми характеристиками), наступило время снова задуматься над нижней граничной частотой усилителей. Хотя человеческое ухо и не воспринимает частоты ниже 17 Гц, нижняя граничная частота, тем не менее, создает заметные сдвиги фазы в слышимой частотной области. Как известно, именно фазовые вариации низкочастотного сигнала создают у слушателей ощущение объемного звука. МОП-транзисторный усилитель позволяет без проблем понизить граничную частоту до 0 Гц. Для этого всего лишь нужно, чтобы конденсатор С2 был коротко замкнут.
Глава 13
Возможности применения программы PSPICE
В этой главе описаны возможные варианты исследований некоторых типичных схем из областей силовой полупроводниковой техники, техники связи и автоматического регулирования.
В двух следующих главах будут проведены исследования некоторых типичных схем из областей силовой полупроводниковой техники, техники связи и автоматического регулирования. Каждое исследование будет проводиться для того, чтобы дать ответ на какой-либо сложный вопрос. Это позволит вам познакомиться со специальными возможностями программы PSPICE и откроет перспективу для проведения множества собственных интересных исследований. Однако практически сразу вы столкнетесь с проблемой, возникающей при профессиональной работе со PSPICE: чем специфичнее будут ваши вопросы, тем чаще будут нужны специальные модели (двигатели трехфазного тока, стабилизаторы, регуляторы, модуляторы, смесители, шаговые двигатели), которых нет ни в демонстрационной, ни в полной версиях программы. И тогда вам понадобится помощь специалистов-разработчиков моделей. Для примеров, рассматриваемых в книге, часть специальных моделей была взята из виртуальной лаборатории spicelab, которую я в настоящее время готовлю к публикации.
13.1. Анализ высокочастотных помех при работе мостовой схемы на тиристорах
Полууправляемая мостовая схема на тиристорах В2Н[42], питающаяся от трансформатора[43] показана на рис. 13.1.
Рис. 13.1. Полууправляемая мостовая схема на тиристорах B2H
В данном разделе исследуется уровень высших гармоник, возникающих при работе мостовой схемы на тиристорах, то есть высокочастотных помех, которые не только мешают соседскому телевизору принимать телевизионные передачи, но даже могут наносить вред здоровью человека, являясь своего рода «электросмогом».
Моделирование схемы, изображенной на рис. 13.1, в диапазоне времени от 0 до 100 мс позволило выявить следующую характеристику выходного напряжения (рис. 13.2).
Рис. 13.2. Выходное напряжение (фрагмент) полууправляемой мостовой схемы на тиристорах
После щелчка по кнопке FFT был получен частотный спектр выходного напряжения (рис. 13.3).
Рис. 13.3. Частотный спектр выходного напряжения мостовой схемы на тиристорах
Очевидно, что если не принять особых мер, эта мостовая схема не отвечает ни требованиям TELEKOM по допустимому уровню помех, ни предписаниям стандартов EMV. Возникает вопрос, поможет ли сглаживающий дроссель значительно снизить уровень помех. Установив дроссель индуктивностью 300 мГн, получаем схему, изображенную на рис. 13.4.
Рис. 13.4. Схема полумоста на тиристорах со сглаживающим дросселем
Моделирование (от 0 до 100 мс) дает диаграмму выходного напряжения, приведенную на рис. 13.5.
Рис. 13.5. Выходное напряжение (фрагмент) схемы полумоста
Благодаря сглаживающему эффекту дросселя характеристика выходного напряжения стала менее угловатой, что обещает снижение уровня помех. Изображение спектра Фурье (рис. 13.6) подтверждает это впечатление.
Рис. 13.6. Спектр Фурье выходного напряжения схемы полумоста
13.2. Компенсация реактивной мощности в трёхфазной сети
Важнейшими потребителями электроэнергии являются электрические машины. Кроме активной мощности, которую они затем преобразовывают в механическую, им также необходима и реактивная мощность. Реактивная мощность не «потребляется» электрическими машинами, она всего лишь «берется на время» из сети во время одной части периода и в другой части периода возвращается обратно в сеть. Однако «прокачивание» реактивной мощности через выводы происходит не без потерь. Мелким потребителям предприятия энергоснабжения предоставляют необходимую реактивную мощность бесплатно. Но если реактивная мощность используется широкомасштабно, она должна оплачиваться. Поэтому электрические установки с большим потреблением реактивной мощности (при этом практически всегда речь идет о индуктивной реактивной мощности) должны «компенсироваться». Компенсация индуктивной реактивной мощности происходит за счет подключения потребителей емкостной реактивной мощности, то есть конденсаторов.
На рис. 13.7 изображен симметричный потребитель трехфазного тока в схеме соединения звездой[44]. Каждое из трех ответвлений состоит из последовательного соединения R=10 Ом и L=100 мГн.
Рис. 13.7. Установка трехфазного тока с включаемыми компенсационными конденсаторами
Через переключатель трехфазного тока S8 могут подключаться три компенсационных конденсатора. На рис. 13.8–13.10 можно видеть, какое действие оказывает компенсация реактивной мощности. На рис. 13.8 изображена схема в некомпенсированном состоянии. На рис. 13.9 показано, что происходит, когда переключатель S8 срабатывает на 100 мс: с этого момента достигается полная компенсация реактивной мощности. На рис. 13.10 схема находится в перекомпенсированном состоянии.
Рис. 13.8. Схема трехфазного тока без компенсации реактивной мощности; переключатель S8 открыт
42
К сожалению, демонстрационная версия позволяет устанавливать только два, а в очень простых схемах — три тиристора. Причина в том, что для описания поведения тиристоров в программе PSPICE была использована очень дорогостоящая модель. Для многих исследований в области энерготехники это является существенным ограничением. В spicelab есть упрощенный вариант тиристора, благодаря чему в схемах, моделируемых в демонстрационной версии, можно устанавливать до шести таких элементов.
43
Трансформатор, использованный в этой схеме, находится в библиотеке ANALOG.slb и называется XFRM_LINEAR. Он имеет линейную В-Н-характеристику, то есть без учета насыщения железа сердечника. Атрибутами трансформатора XFRM_LINEAR являются значения индуктивности L1 и L2, а также коэффициент связи Coupling. В энерготехнике коэффициенты связи у трансформаторов имеют значения чуть меньше единицы, например 0.99. Для значений индуктивности действует отношение: L1/L2=N1²/N2². Таким образом, трансформатор, установленный в схеме на рис. 13.1, с заданными значениями L1=576 мГн и L2=16 мГн, имеет передаточное отношение N1/N2²=6/1. Программа PSPICE позволяет включать в схемы также трансформаторы и с нелинейными характеристиками. Чтобы правильно их использовать, необходимо хорошо знать классификацию магнитных сердечников.
44
Использованные в этой схеме компоненты трехфазного тока V3Phase, Schalt3Phase и символы для защитного проводника РЕ, нейтрального проводника N и комбинированного защитно-нейтрального проводника PEN находятся в библиотеках MISC.slb и SAMPLE.lib. Переключатели трехфазного тока срабатывают в тот момент времени, который установлен атрибутом t_Start. Этот атрибут определяет момент выключения. В качестве атрибутов источника трехфазного тока устанавливаются амплитуда (Ampl), частота (FREQU) и положение по фазе при включении (Delay).