POZNAN UNIVE RSITY OF TE CHNOLOGY ACADE MIC JOURNALS No 78 Electrical Engineering 2014 Mikołaj KSIĄŻKIEWICZ* BADANIA SYMULACYJNE PROSTOWNIKA 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 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 (U m = 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 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: Wypełnienie 50 % Wypełnienie 25 % Minimalne [V] 33,348 16,789 Maksymalne [V] 36,803 18,756 Średnie [V] 34,802 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] Barlik R., Nowak M., Technika tyrystorowa, Wydanie II, Wydawnictwo Naukowo- Techniczne, Warszawa 1988. [2] Król A., Moczko J., PSpice symulacja i optymalizacja układów elektronicznych, Wydanie I, Wydawnictwo Nakom, Poznań 1998. [3] Walczak J., Pasko M., Komputerowa analiza obwodów elektrycznych z wykorzystaniem programu Spice, Wydanie I, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2005. [4] 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.