badania symulacyjne prostownika półsterowanego

P O Z N A N UN I VE RS I T Y O F T E C HN O L O G Y ACA D E MI C J O URN A L S
No 78
Electrical Engineering
2014
Mikołaj KSIĄŻKIEWICZ*
BADANIA SYMULACYJNE PROSTOWNIKA
PÓŁSTEROWANEGO
W pracy przedstawiono wyniki badań symulacyjnych prostownika półsterowanego,
tworzącego wraz ze stabilizatorem prądu źródło prądowe. Symulacje układu wykonano
w programie PSpice, wyniki badań dotyczą przebiegów i wartości napięcia na wyjściu
prostownika. Zaprezentowano również schemat blokowy źródła prądowego, którego
jednym z elementów jest symulowany układ.
SŁOWA KLUCZOWE: prostownik, półsterowany, symulacja, PSpice
1. WPROWADZENIE
W praktycznych rozwiązaniach realizacja układu źródła prądu polega na
zbudowaniu obwodu, który dostosowuje napięcie na odbiorniku tak, aby płynął
przez niego zadany prąd. Wadą wielu rozwiązań jest to, że niewykorzystane
napięcie (nadwyżka napięcia) odkłada się na elemencie aktywnym stabilizatora
prądu (często używanym elementem są tranzystory), powodując straty mocy
proporcjonalne do płynącego prądu i napięcia na stabilizatorze. W przypadku gdy
zwiera się źródło prądu, cała jego moc wytracana jest w jego stabilizatorze prądu.
Rozwiązaniem byłoby zasilanie stabilizatora z regulowanego źródła napięcia, które
będzie redukować nadwyżkę napięcia do wymaganego minimum.
Napięcie potrzebne do zasilania stabilizatora prądu nie musi być stabilizowane.
Przykładowym rozwiązaniem układu zasilającego stabilizator, dającego możliwość
regulacji wartości średniej napięcia, jest prostownik półsterowany, sterowany
fazowo wraz z pojemnościowym filtrem wygładzającym. Zaletą tego rozwiązania
jest niski koszt, duże możliwości skalowania (schemat ideowy dla dużych i małych
prądów jest identyczny).
W pracy przedstawiono wyniki badań symulacyjnych prostownika
półsterowanego, który jest elementem pomocniczym źródła prądowego,
wykonanych w programie PSpice (źródło zdolne wygenerować prąd o wartości
12,5 A i zasilić odbiornik o mocy 300 W). Celem badań jest zweryfikowanie
poprawności działania prostownika poprzez analizę przebiegów czasowych napięć
i prądów występujących w układzie. Wnioski dotyczą poprawności działania,
__________________________________________
* Politechnika Poznańska.
242
Mikołaj Książkiewicz
możliwości regulowania wartości napięcia oraz realizowalności praktycznej
badanego układu.
2. SCHEMAT SYMULOWANEGO UKŁADU PROSTOWNIKA
PÓŁSTEROWANEGO
Na rysunku 1 przedstawiono schemat symulowanego w programie PSpice
prostownika półsterowanego. Schemat ideowy został wykonany na bazie
klasycznego prostownika półsterowanego opisanego w [1]. Do przygotowania
obiektu badań oraz ustawienia parametrów symulacji korzystano z [2, 3, 4].
Rys. 1. Schemat symulowanego układu prostownika półsterowanego
Poszczególne symbole oznaczają:
V1 – źródło napięcia sinusoidalnego (Um = 50 V; f = 50 Hz),
X1, X2 – tyrystory mostka prostowniczego,
D1, D2 – diody mostka prostowniczego,
C1 – kondensator wygładzający,
Robc – rezystancja obciążenia,
DSTM1 – cyfrowy sygnał sterujący,
D3, D4 – diody zabezpieczające przed podaniem ujemnego impulsu na bramki
tyrystorów,
R1, R2, C2, C3 – elementy kształtujące impuls załączający,
V2, V3, Sw1, Sw2 – elementy służące do załączania triaków (inną możliwością
jest zastąpienie traika przez optotriak i sterowanie prądem diody świecącej).
Badania symulacyjne prostownika półsterowanego
243
3. WYNIKI BADAŃ SYMULACYJNYCH PROSTOWNIKA
PÓŁSTEROWANEGO
Dla schematu jak na rys. 1 i parametrów: Robc = 8 Ω; C1 = 10 mF; wypełnienie
50 %, wyznaczono na podstawie symulacji przebiegi czasowe (stan ustalony):
napięcia zasilania (V1), napięcia obciążenia (Robc), prądów łączników (tyrystorów
X1 i X2), sygnału sterującego (DSTM1), które przedstawiono na rys. 2.
Rys. 2. Przebiegi czasowe: napięcia zasilania (V1), napięcia obciążenia (U_Robc), prądów łączników
(tyrystorów X1 i X2), sygnału sterującego DSTM1; wypełnienie 50 %
Następna symulacja dotyczy układu jak powyżej z wypełnieniem 25 %.
Rozpatrywane przebiegi przedstawiono na rys. 3.
Tabela 1. zawiera zestawienie wartości minimalnych, maksymalnych i średnich
napięcia odbiornika (U_Robc) dla przypadków wypełnienia 50 % i 25 %.
Tabela 1. Zestawienie wartości napięć U_Robc dla różnych wartości wypełnienia
Napięcie U_Robc:
Minimalne [V]
Maksymalne [V]
Średnie [V]
Wypełnienie 50 %
33,348
36,803
34,802
Wypełnienie 25 %
16,789
18,756
17,788
Z porównania dwóch przypadków dla wypełnienia 50 % i 25 % wynika, że
badany układ pozwala na regulacje wartości średniej napięcia na odbiorniku.
Amplituda tętnień zależy od zastosowanej pojemności wygładzającej oraz prądu
obciążenia. W przypadku zastosowania tego układu do zasilania stabilizatora prądu
wartość tętnień powinna być dostosowana do rezystancji wewnętrznej stabilizatora,
która odzwierciedla wpływ zmian napięcia na stabilizatorze na wartość
generowanego prądu.
244
Mikołaj Książkiewicz
Rys. 3. Przebiegi czasowe: napięcia zasilania (V1), napięcia obciążenia (U_Robc), prądów łączników
(tyrystorów X1 i X2), sygnału sterującego DSTM1; wypełnienie 25 %
4. SCHEMAT BLOKOWY STABILNEGO ŹRÓDŁA PRĄDOWEGO
Na rysunku 4 przedstawiono schemat blokowy stabilnego źródła prądowego, którego
jednym z bloków jest badany prostownik półsterowany. Główną część – element
wykonawczy stanowi stabilizator prądu, wykonany jako układ hybrydowy z
tranzystorami MOSFET, polaryzowanymi przez wzmacniacz operacyjny. Transformator
sieciowy wraz z zasilaczem stabilizowanym i prostownikiem półsterowanym dostarczają
energię elektryczną o odpowiednich parametrach napięciowych do wszystkich
pozostałych części urządzenia. Napięcia stabilizowane potrzebne są do zasilenia układów
scalonych, wyświetlacza, klawiatury oraz wentylatorów.
Napięcie niestabilizowane z prostownika półsterowanego służy do zasilania
odbiornika, w którego torze prądowym znajduje się stabilizator prądu. Mikrokontroler
wraz z peryferiami w postaci przetworników A/C i C/A tworzą układ sterowania, który
odpowiada za kontrolę pozostałych bloków i wymianę informacji z użytkownikiem
urządzenia za pośrednictwem klawiatury i wyświetlacza alfanumerycznego. Dodatkowo
istnieje możliwość (po odpowiednim zaprogramowania mikrokontrolera) komunikacji z
urządzeniem wykorzystując komputer wyposażony w interfejs RS-232.
Rys. 4. Schemat blokowy stabilnego źródła prądowego
Badania symulacyjne prostownika półsterowanego
245
5. UWAGI KOŃCOWE
Badania symulacyjne potwierdziły poprawność działania układu prostownika
półsterowanego. Pozwala on na generację regulowanego napięcia stałego,
niestabilizowanego potrzebnego do zasilenia toru wysokoprądowego w stabilnym
źródle prądu, dla którego był projektowany. Istotne jest dopasowanie amplitudy
tętnień napięcia wyjściowego prostownika do parametrów stabilizatora (głównie
rezystancji wewnętrznej). Regulacja wartości napięcia jest wymagana, aby
ograniczyć nadwyżkę napięcia i zmniejszyć straty mocy w układzie poprawiając
sprawność urządzenia. Mniejsze straty mocy pozwalają na zastosowanie
odpowiednio mniejszego układu chłodzenia stabilizatora, co w efekcie zmniejsza
koszty i gabaryty urządzenia.
LITERATURA
[1]
[2]
[3]
[4]
Barlik R., Nowak M., Technika tyrystorowa, Wydanie II, Wydawnictwo NaukowoTechniczne, Warszawa 1988.
Król A., Moczko J., PSpice symulacja i optymalizacja układów elektronicznych,
Wydanie I, Wydawnictwo Nakom, Poznań 1998.
Walczak J., Pasko M., Komputerowa analiza obwodów elektrycznych z
wykorzystaniem programu Spice, Wydanie I, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej,
Gliwice 2005.
Walczak J., Pasko M., Zastosowanie programu Spice w analizie obwodów
elektrycznych i elektronicznych, Wydanie I, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej,
Gliwice 2011.
SIMULATION TESTS OF SEMI-CONTROLLED RECTIFIER
The paper presents the simulation results of semi-controlled rectifier, which combined
with current stabilizer forms a current source. Simulations were done using the PSpice, the
results relate to output voltage waveforms of the rectifier. Block diagram of a current
source containing the simulated system is presented at the end of the paper.