Referat Dispozitive si Circuite Electronice - laborator

label Referate autorenew 2025-09-29, 16:56 history_edu Gabi Dobocan
Studiul regimului de comutatie al tranzistoarelor bipolare de putere 1Obiectul lucrarii: Sunt studiate fenomenele care apar la comutatia directa si inversa a tranzistoarelor de putere. Sunt vizualizate formele de unda si masurate marimile caracteristice in conditiile unui circuit similar cu circuitul de test indicat in catalog si in conditii reale de exploatare. Analiza SPICE a circuitului de test permmite compararea rezultatelor practice cu cele obtinute prin simulare. 2Aspecte teoretice: n electronica de putere tranzistoarele se folosesc ca elemente de comutaie bilateral sau ca amplificatoare de putere n circuitele cu sarcin rezonant. Tehnologia de fabricaie permite realizarea tranzistoarelor care lucreaz ca elemente de comutaie astfel nct tensiunea de saturaie s fie minim, iar tensiunea de susinere n blocare maxim. Tranzistoarele utilizate ca amplificatoare de putere sunt realizate astfel nct s se maximizeze coeficienii de transfer, puterea i frecvena de lucru. Caracteristici staticePe caracteristicile statice ale tranzistorului bipolar de putere din fig. 1 se pun [n eviden ` valorile limit` ale m`rimilor electrice. Fig. 1 Caracteristici statice. ICM - curentului de colector maximPdM - puterea maxim disipat VCEM - limita superioar a tensiunii colector-emitor AFS -Aria de funcionare sigur Fig. 2 Aria de funcionare sigur.Tranzistorul n regim de comutaieParametrii de impuls Fig. 3 Diagrame funcionale la comutarea tranzistorului bipolar. ton-intervalul de timp ntre creterea curentului de baz (0,1*iB1) i atingerea de ctre iC a valorii 0,9*iCM;toff- intervalul de timp ntre cderea curentului de baz (0,9*iB1) i atingerea valorii 0,1*iCM de ctre iC;tp - durata impulsului aplicat n baz;td - ntrzierea la cretere;ts - timp de stocare;ton - se numete timp de comutaie direct, iar toff timp de comutaie invers. Tehnici de comand a tranzistoarelor bipolare de putere Controlul comutrii n conducie Fig. 9 Controlul comutrii n conducie:a) principiu; b) circuit practic. Controlul de antisaturaie Fig. 10 Circuit cu diod Das de antisaturaie pentru minimizarea timpului de stocare. Circuite de protecie pentru tranzistoare bipolare de putereCircuit de protecie la comutarea n blocare Fig. 11 Circuit pentru protecia la comutarea n blocare (snubber "off"):a) circuit; b) diagramele funcionale ale tensiunii i curentului la comutarea n blocare. Circuit de protecie la comutarea n conducie Fig. 12 Circuit pentru protec ia la comutarea n blocare (snubber "on"):a) circuit; b) diagramele funcionale ale tensiunii i curentului la comutarea n conducie. 3Schema montajului studiat este urmatoarea: 4Analiza in Spice: 6.2Se studiaza cazul sarcinii pur rezistive, fara circuit snubber, circuit de control al comutarii in conductie, dioda antisaturatie si dioda de nul. Circuitul PSpice corespunzator tranzistorului bipolar cu sarcina rezistiva in colector este urmatorul: * Sarcina rezistiva, fara snubber on, off, Df, Cb si Das..LIB c: spice diode.lib.LIB c: spice bipolar.libQ 5 4 0 Q2N5492*Circuitul din bazaVin 1 0 PULSE(-5 5 0 0 0 25uS 50uS)Rb 1 2 100D1 2 3 D1N4148D2 3 4 D1N4148D3 4 2 D1N4148*Circuitul din colectorVcc 6 0 30VRs 5 6 40 .TRAN 10nS 100uS.probe ; *ipsp*.OPTIONS itl5 = 0 reltol = 0.0001 ; *ipsp*.END In urma vizualizarii se vor obtine urmatoarii timpi:td= 0.1mstr= 1.73msts= 0.64mstf= 0.66ms 6.3Se introduce in circuit dioda de antisaturatie Das pentru reducerea timpilor de stocare.Circuitul in PSpice este urmatorul: * Cu Das, sarcina rezistiva, fara snubber on, off, Df, Cb..LIB c: spice diode.lib.LIB c: spice bipolar.libQ 5 4 0 Q2N5492*Circuitul din bazaVin 1 0 PULSE(-5 5 0 0 0 25uS 50uS)Rb 1 2 100D1 2 3 D1N4148D2 3 4 D1N4148D3 4 2 D1N4148Das 2 5 D1N4148*Circuitul din colectorVcc 6 0 30VRs 5 6 40 .TRAN 10nS 100uS.probe ; *ipsp*.OPTIONS itl5 = 0 reltol = 0.0001 ; *ipsp*.END In urma vizualizarii se vor obtine urmatoarii timpi:td= 0.1mstr= 1.66msts= 0.55mstf= 0.08ms 6.4Se introduce in circuitul de la punctul 6.2 condensatorul Cb pentru controlul comutarii in conductie. * Cu Cb, sarcina rezistiva, fara snubber on, off, Df si Das..LIB c: spice diode.lib.LIB c: spice bipolar.libQ 6 5 0 Q2N5492*Circuitul din bazaVin 1 0 PULSE(-5 5 0 0 0 25uS 50uS)Rb1 1 2 50Rb2 2 3 50Cb 2 3 100nD1 3 4 D1N4148D2 4 5 D1N4148D3 5 3 D1N4148*Circuitul din colectorVcc 7 0 30VRs 7 6 40 .TRAN 10nS 100uS.probe ; *ipsp*.OPTIONS itl5 = 0 reltol = 0.0001 ; *ipsp*.END. 6.5Se analizeaza comutatia tranzistorului bipolar pe sarcina inductiv-rezistiva, fara dioda de nul si circuite snubber. Circuitul din baza nu contine nici dioda antisaturatie, nici condensatorul pentru controlul comutarii in conductie. * Sarcina inductiv rezistiva, fara snubber on, off, Df, Cb si Das..LIB c: spice diode.lib.LIB c: spice bipolar.libQ 5 4 0 Q2N5492*Circuitul din bazaVin 1 0 PULSE(-5 5 0 0 0 25uS 50uS)Rb 1 2 100D1 2 3 D1N4148D2 3 4 D1N4148D3 4 2 D1N4148*Circuitul din colectorVcc 7 0 30VRs 7 6 40 Ls 6 5 25mH IC=.75.TRAN 10nS 200uS.probe ; *ipsp*.OPTIONS itl5 = 0 reltol = 0.0001 ; *ipsp*.END Convertoare c.a. - c.a. monofazateProcese de comutatie 1Obiectul lucrarii: Sunt studiate regimurile de comutatie intr-un circuit cu contactor static de curent alternativ cu sarcina R si R-L in conditii de comenzii de tip asincron mentinute (in cadrul unui numar de alternate ale tensiunii de alimentare) si comenzii de control de faza.Este prezentat un analizor pentru studiul pe model al proceselor de comutatie. 2Aspecte teoretice2.1. Comanda meninut asincronn fig.2.a este reprezentat un circuit cu sarcin R-L alimentat de la o surs de c.a. prin intermediul unui contact sau contactor static cu dispozitive ideale de comutaie i care primete comand meninut pe durata unui numr de alternane, conform fig.2.b. Comanda este meninut (contact nchis) pe durata i este ntrerupt` (contact deschis) pe durata , unde sunt numere naturale nenule.n particular, aceasta este i situaia existent la manevrarea aparatelor de conectare din reelele electrice. Ecuaia diferenial ataat circuitului din fig.2.a este de forma: (1)avnd soluia complet (pe durata comenzii): (2)unde * este unghiul de comand, iar * - unghiul de faz (defazajul curent-tensiune introdus de sarcin). Notnd cu constanta de timp a circuitului R-L, are expresia: (3) Fig. 2 Modelarea proceselor de comutaie 2.1.1.Cazul sarcinii RDac sarcina este pur rezistiv (* = 0), curentul i n circuit se stabilete instantaneu la momentul *t=* la valoarea de regim permanent (fig.2.c). Curentul este prezent pe durata comenzii (4*-*, n exemplul din figura 2.c) i este absent (pe durata 2*+*) pn la o nou comand. Curentul i este n faz cu tensiunea de alimentare u. 2.1.2.Cazul sarcinii R-LLa acest mod de comand, ntlnim urmtoarele situaii:1-dac acionarea contactorului se face la *=*, atunci n circuit se instaleaz direct regimul permanent, deoarece termenul ce caracterizeaz regimul tranzitoriu n relaia (2) este identic nul (fig. 2.d);2- dac acionarea contactorului se face la *<*, termenul de regim tranzitoriu este pozitiv; el se adun cu termenul de regim permanent i de aceea primele amplitudini pozitive sunt mai mari dect cele negative (fig.2.d);3- dac acionarea contactorului se face la *>*, termenul de regim tranzitoriu este negativ; el se scade din termenul de regim permanent i primele amplitudini pozitive sunt mai mici dect cele negative (fig.2.d).Pentru * = 0, curentul n circuit are valoarea : (4)Din relaia (4) rezult c valoarea maxim a primei amplitudini pentru sarcini puternic inductive (***/2 ) este: . (5)Tot pentru sarcini puternic inductive (* **/2), dar pentru *=* valoarea maxim a primei alternane este tot dublul celei de regim permanent, dar este negativ.n regim tranzitoriu, valoarea efectiv a curentului n decursul primei alternane n condiiile cele mai defavorabile ( ***/2 , *=0 sau *=* ) este: (6) unde I este valoarea efectiv a curentului n regim permanent.Datorit creterii valorii efective a curentului n decursul primelor alternane, se produce un regim de suprasolicitare a dispozitivelor din circuit, existnd posibilitatea acionrii aparatelor de protecie.n cazul n care contactorul static este echipat cu un triac sau cu un tiristor cu 4 diode n punte, raportul valorilor efective ale curentului prin dispozitiv n decursul primei alternane a regimului tranzitoriu i n regim permanent este n situaia cea mai defavorabil, conform relaiei (6).Pentru evitarea producerii regimului tranzitoriu cu supracreteri de curent, comanda contactorului trebuie realizat n acest mod la *=*. 2.2.Comanda cu control de fazSe menine schema principial din fig.2.a. Principiul comenzii cu control de faz este prezentat n fig.3.a, particularizat pentru sarcina rezistiv. 2.2.1.Cazul sarcinii RAcest mod de comand este prezentat n fig.3.a. Contactorul este acionat simetric cu comenzi pe intervale *-* n cadrul fiecrei alternane a tensiunii de alimentare. Curentul i este n faz cu tensiunea u. 2.2.2.Cazul sarcinii R-LLa acest mod de comand ntlnim urmtoarele situaii:1-dac acionarea contactorului se face la *=*, termenul de regim tranzitoriu dispare i n relaia (2), punnd condiia de anulare a curentului prin sarcin, se obine unghiul de stingere *=*+*. Circuitul se comport ca un circuit R-L obinuit n regim permanent sinusoidal (fig.3.b). n situaii extreme, pentru sarcin pur rezistiv (*=0) se obine *=*, iar pentru sarcina pur inductiv (*=*/2) se obine *=2*-*. 2-dac acionarea contactorului se face la *>* (echivalent cu *<*+*), soluia (2) este valabil numai pn n momentul anulrii naturale a curentului prin circuit (cazul unui contactor static cu dispozitive de comutaie ideale, cu conducie de curent unidirecional). Curentul prin sarcin este ntrerupt; circulaia de curent reapare la comanda semialternanei urmtoare (fig.3.b).Unghiul de stingere * la care se produce anularea natural a curentului se poate determina din relaia (2): (7)3-dac acionarea contactorului se face la *<* (echivalent cu *>*+*), forma curentului n sarcin depinde de durata impulsurilor de comand:a)Impulsurile de comand ale contactorului sunt "scurte". n aceast situaie, dac durata * a impulsurilor este mai mic dect [*-(*+*)]/* ]i unghiul de conducie *=*-*>*, forma de und a curentului este format doar din semialternane (fie doar din semialternane pozitive, ca n fig.3.c, unde s-a folosit pentru exemplificare contactorul din fig.1.a, fie doar negative, dup cum sosete primul impuls de comand n momentul pornirii montajului). n fig.3.c conduce doar tiristorul Th1; tiristorul Th2 nu conduce niciodat. Fig. 3 Procese de comutaie pentru comanda cu control de faz. b)Impulsurile de comand sunt "lungi". Dac comanda este meninut pe o durat suficient ca s mai existe i n momentul *t =*, deci *>[*-(*+*)]/*, atunci dup terminarea procesului tranzitoriu circuitul intr n regim permanent sinusoidal, deoarece curentul are cale de nchidere dup fiecare trecere prin zero (vezi fig.3.d, corespunztoare aceluiai contactor static din fig.1.a). Formele de und n regim permanent vor fi identice cu cele din cazul *=*, dup cum se poate observa pe aceeai figur. Nu se mai poate controla puterea n sarcina prin intermediul contactorului. Obs.1) Un impuls de comand se consider "lung" atunci cnd prin durata sa * asigur aprinderea tiristoarelor att n regim permanent ct i n regim tranzitoriu:- n regim permanent, conform fig.3.d, ** >= *-*;- n regim tranzitoriu, conform fig.3.d, ** >= *-*.2) Regimul tranzitoriu se poate vizualiza cu un osciloscop cu memorie. La acest tip de comand`, pentru evitarea regimului tranzitoriu cu supracretere de curent n circuitele cu sarcin R-L, contactorul static trebuie acionat la ***, cu impulsuri de comand de durata cel mult *-*. 3Analiza Spice: Fig. 4.a Schema bloc a analizorului pentru studiul Fig. 5 Schema electric din fig.4.b prelucrat n proceselor de comutaie n circuitele de c.a. vederea simulrii SPICE. Schema osciloscopului de relaxare cu TUJ Se vor analiza in continuare circuitele pentru care = 30. APentru circuitul CFR (comanda cu control de faza si sarcina rezistiva): *csca sarcina rezistiva; com. de faza: alfa=30.lib pspice lib thyristr.lib.lib pspice lib diode.lib R 6 7 100V1 6 0 sin(0 60v 50hz 0 0)D1 5 7 D1N4150D2 7 4 D1N4150D3 5 0 D1N4150D4 0 4 D1N4150X1 4 2 5 2N1596rcom 1 2 25Vcom 1 5 pulse(0 5 1.66m 8n 10n 8.339m 10m) .tran 10u 40m .options itl5=0 .four 50 V(6) I(R).probe.end Spectrul I(R): BPentru circuitul CFRL (comanda cu control de faza si sarcina rezistiv-inductiva): *csca sarcina r+l;com. cntrol de faza:alfa=30.lib c: pspice lib thyristr.lib.lib c: pspice lib diode.lib rl 7 8 30R 6 3 100L 8 3 1.1hV1 6 0 sin(0 60v 50hz 0 0)D1 5 7 D1N4150D2 7 4 D1N4150D3 5 0 D1N4150D4 0 4 D1N4150X1 4 2 5 2N1596rcom 1 2 25Vcom 1 5 pulse(0 5 1.66m 8n 10n 8m 10m) .tran 10u 40m .options itl5=0.four 50 V(6) I(R) .probe.end Spectrul I(R): CPentru circuite CMR (): *csca; sarcina rezistiva; com. mentinuta:alfa=30.lib c: pspice lib thyristr.lib.lib c: pspice lib diode.lib R 6 7 100V1 6 0 sin(0 60v 50hz 0 0)D1 5 7 D1N4150D2 7 4 D1N4150D3 5 0 D1N4150D4 0 4 D1N4150X1 4 2 5 2N1596rcom 1 2 25Vcom 1 5 pulse(0 5 1.66m 8n 10n 38.34m 60m) .tran 10u 40m .options itl5=0 .four 50 V(6) I(R).probe.end Spectrul I(R): DPentru circuitul CMRL (): *csca sarcina r+l;com. mentinuta:alfa=30.lib c: pspice lib thyristr.lib.lib c: pspice lib diode.lib rl 7 8 30R 6 3 100L 8 3 1.1hV1 6 0 sin(0 60v 50hz 0 0)D1 5 7 D1N4150D2 7 4 D1N4150D3 5 0 D1N4150D4 0 4 D1N4150X1 4 2 5 2N1596rcom 1 2 25Vcom 1 5 pulse(0 5 1.66m 8n 10n 38.339m 60m) .tran 10u 40m .options itl5=0 .four 50 V(6) I(R).probe.endSpectrul I(R): Redresor stabilizat in punte semicomandata cu tiristoare Obiectul lucrarii Se studiaz caracteristicile redresorului n punte semicomandata cu reglaj prin faza si posibilitatea de realizare a unui stabilizator de tensiune continua prin includerea acestui redresor ntr-o bucla de reglaj automat. Se compara performantele masurate cu cele estimate pe un model simplificat.Se face analiza SPICE a redresorului n punte semicomandata. Functionarea montajului studiatPrincipiul de functionare al unui redresor stabilizat n punte semicomandata este ilustrat n figura 1. Asa cum se poate observa, prin modificarea unghiului de comanda * se modifica valoarea medie a tensiunii la iesirea redresorului. Daca redresorul este prevazut cu o bucla de reactie se obtine un redresor stabilizat. Fig. 1: Schema-bloc a redresorului stabilizat n punte semicomandata Schema montajului studiat este prezentata n figura 3. Circuitul de putere este constituit din transformatorul de alimentare TR2, din puntea bifazata semicomandata, realizata cu diodele D1 si D2, respectiv tiristoarele TR1 si TR2, precum si din celula de filtrare compusa din inductanta si condensatorul . Inductanta are si rolul de a asigura regimul de conductie nentrerupta a curentului debitat de redresor, n care, dupa fiecare anulare a tensiunii de alimentare, tiristorul respectiv mai ramane n conductie mpreuna cu dioda aflata n serie cu acesta, realizand functia de dioda de nul. Circuitul de comanda permite reglarea unghiului de amorsare a tiristoarelor, folosind un oscilator de relaxare realizat cu tranzistorul unijonctiune , alimentat cu tensiune trapezoidala formata de puntea redresoare PD1 prin grupulR1, DZ1. ntarzierea primului impuls furnizat de oscilator n decursul fiecarei semialternante este determinata de valoarea curentului de ncarcare a condensatorului C2, furnizat de tranzistorul T4, valoare ce depinde de tensiunea de polarizare UP a bazei tranzistorului. Functionarea n bucla deschisa: n acest caz polarizarea bazei tranzistorului T4 se realizeaza autonom, prin aplicarea tensiunii UP existenta la cursorul potentiometrului P1 (pozitia 1 a comutatorului K). Curentul de ncarcare a condensatorului C2 si, implicit, unghiul de comanda *, se pot modifica din potentiometrul P1. Functionarea n bucla nchisa:n acest caz polarizarea bazei tranzistorului T4 se realizeaza prin bucla de reactie a tensiunii (pozitia 2 a comutatorului K). UP este functie de curentul de colector al tranzistorului T2. Amplificatorul diferential, realizat cu tranzistoarele T1 si T2, este alimentat de la sursa de curent I0 realizata cu T3. Curentul IC2 furnizat de amplificatorul diferential este functie de semnalul de eroare, constituit din diferenta dintre o fractiune x a tensiunii de iesire UD si tensiunea de referinta UZ3. Cu bucla de reactie nchisa, unghiul * se stabileste automat la o astfel de valoare ncat tensiunea xUD sa fie egala cu UZ3. Orice fluctuatie a tensiunii UD determina variatiile corespunzatoare ale lui IC2 si respectiv *, astfel ncat sa se reduca abaterea initiala. Circuitul de protectie la supracurent este realizat cu tranzistorul unijonctiune . Tensiunea de polarizare a emitorului este stabilita cu potentiometrul la o valoare care, adunata cu cea furnizata de traductorul de curent RS3, sa determine bascularea lui T6, la o valoare considerata periculoasa a curentului debitat de redresor. n acest caz tensiunea emitorului scade la o valoare redusa (tensiunea de "vale" din caracteristica statica a tranzistorului TUJ), ceea ce determina, prin deschiderea diodei , fortarea tensiunii emitorului lui la o valoare redusa si constanta. Se inhiba astfel generarea impulsurilor de comanda pentru tiristoarele din punte. Dupa nlaturarea cauzei care a provocat supracurentul, eliminarea starii de inhibare se face prin apasarea butonului B. Fig. 3: Redresorul in punte semicomandata Analiza SPICE:Circuitul corespunzator este:.LIB C: PSPICE L4 L4.LIB.PARAM RLOAD=100RAUX126 140k * Puntea semicomandata. Secundarul transformatorului de retea TR2 a fost simulat* printr-o sursa de tensiune sinusoidala cu amplitudinea de 49.5V (35Vef) si perioada T=20ms.V12930SIN(0 49.5 50)XTH129151T3R1XTH230142T3R1D1429F407D2 430F407RS1130.39RS2230.39RS3361.3** Circuitul de filtrareL1400.9HIC=-50mC160 1000uFIC=9vR17641.2K** Amplificatorul diferentialQ1232220BC171Q2241620BC171Q3201719BC171R168165KDZ3016PL5Z1R1316172.5KR1417182.5KD7180D1N4148R1081218KR11122429KR12 1902KR15 82310KR232221120C3210500uFIC=5.02vR66264.3KRP2126222.2KRP2222252.2KR72505.6KR560470** Circuitul de formare a impulsurilor trapezoidale. Secundarul transformatorului TR1* este simulat printr-o sursa de tensiune sinusoidala cu amplitudinea de 43.84V (31Vef)V23233SIN(0 43.84 50)D113211REDRD123311REDRD13632REDRD14633REDRR41110680DZ1610PL12Z** Circuitul de comandaXTUJ531792N1671Q474113BC177R21031550R396110D5118SE05R228134.7KC2761.5uFR4124118KD3915D1N4148D4914D1N4148R888a4.7KRP18a8b10KR98b618K** Circuitul de protectieD6740SE05C486100uFR188281.2KDZ2628PL13ZXTUJ6274062N1671R192827550R2028401.2KR214031.5KRS3361.3** Rezistenta de sarcinaRLOAD6 0 {RLOAD} * .PROBE .OPTIONS ITL4 = 50 ITL5 = 0 .TRAN 100.000u 1 0.94 500.000u UIC .FOUR 50 V(3,4) V(6) I(RLOAD) .END In urma simularii rezulta urmatoarele grafice: Fig. 4: Modelul SPICE al redresorului in punte semicomandata