Разработка пакета лабораторных работ по курсу Электропитание устройств связи в среде electronics workbench

Оглавление
Введение
1.Обзор существующих программных продуктов сходных по функционалу с Electronics Workbench
1.1 Micro-Cap компании Spectrum Software;
1.2 Proteus VSM компании Labcenter Electronics;
1.3 Electronics Workbench компании National Instruments Electronics Workbench Group.
2. Описание интерфейса программы Electronics Workbench и основные приемы построения схем
3. Анализ предложенных схем и составление плана их исследования
3.1 Схема однополупериодного выпрямителя
3.2 Схема мостового выпрямителя
3.3 Схема Миткевича
3.4 Схема стабилизатора постоянного напряжения
3.5 Схема транзисторного стабилизатора напряжения
4. Лабораторные работы
4.1 Лабораторная работа №1 – «Исследование схемы однополупериодного выпрямителя»
4.2 Лабораторная работа №2 – «Исследование схемы мостового выпрямителя»
4.3 Лабораторная работа №3 – «Исследование схемы Миткевича»
4.4 Лабораторная работа №4 – «Исследование схемы стабилизатора постоянного напряжения»
4.5 Лабораторная работа №5 – «Исследование схемы транзисторного стабилизатора напряжения»
5. Экономическое обоснование
6. Безопасность жизнедеятельности
6.1 Освещение
6.2 Параметры микроклимата
6.3 Шум и вибрация
6.4 Электромагнитное и ионизирующее излучения
7. Заключение
8. Литература и список источников

Почему выходная осциллограмма трехфазного выпрямителя в отличии от однофазного не опускается до 0 В?Промоделировать работу схемы выпрямителя при обрыве на одном из диодов. Как изменятся осциллограммы?По заданной преподавателем осциллограмме определить на каком диоде произошел обрыв?Как изменится выходная осциллограмма при коротком замыкании на одном из диодов?Как влияют на работу выпрямителя сглаживающие фильтры?4.4 Лабораторная работа №4 – «Исследование схемы стабилизатора постоянного напряжения»Теоретическая часть.После того как мы выполнили преобразование напряжения с помощью выпрямителя требуется стабилизировать его, чтоб исключить периодические и случайные пульсации, которые могут оказаться губительными для любых радиоэлектронных изделий.Для этих целей использую схемы стабилизации напряжения. В настоящей лабораторной работе мы рассмотрим простейший стабилизатор, построенный на стабилитроне, проанализируем его работу, построим вольтамперную характеристику, передаточную кривую стабилитрона, проведем моделирование схемы стабилизатора. Как говорилось выше, схемы стабилизаторов постоянного напряжения используют нелинейные элементы, у которых напряжение мало зависит от тока, протекающего через них. К таким элементам относятся стабилитроны и стабисторы. На рисунке 4.29 представлены вольт-амперные характеристики этих элементов. В основе действия стабилитронов и стабисторов лежит механизм лавинного пробоя, поэтому для работы стабилитрона используется обратная ветвь, а для стабистора – прямая ветвь вольт-амперной характеристики.Типовая схема однокаскадного стабилизатора приведена на рисунке 4.30.Поясним работу данной схемы. На рисунке 4.31 изображены вольт-амперные характеристики стабилитрона (VD1) и нагрузки (Rн). Так как они соединены параллельно, то сложим их характеристики (VD1 + Rн), получим зависимость Uвых = f(Iн + Iст).Рис. 4.29 –вольт-амперная характеристика стабистора и стабилитрона.Рис. 4.30 - схема однокаскадного стабилизатораРис. 4.31 – характеристики, отражающие принцип работы стабилизатораПо оси абсцисс отложим Uвх, от нее построим характеристику R. Пересечение которой с характеристикой (Rн+VD1) определяет установившийся режим для данного входного напряжения. Изменение входного напряжения сдвигает рабочую точку по характеристике (Rн+VD1). Как видно из представленного на рисунке 4.31 графика изменение выходного напряжения – незначительно относительно входного.Теперь перейдем к практической части нашей работы.Цель работыПолучение практических навыков построения и моделирования схем при помощи программного комплекса ElectronicsWorkbench.Изучение и анализ работы схемы стабилизатора постоянного напряжения средствами контроля и измерения, входящими в комплект программного комплекса ElectronicsWorkbench, при различных нагрузках с использованием сглаживающих фильтров и без.Порядок проведения работыПостроение вольт-амперной характеристики стабилитронаСоберите изображенную на рисунке 4.32 схему лабораторной установки.Рис. 4.32 – схема лабораторной установкиВ данную схему включен мультиметр (Millimeter). Данный прибор находится в панели Instruments (смотри рис. 4.33).Рис. 4.33 - панель InstrumentsИзменяя значение от 0 до 20 на источнике постоянного напряжения измерить напряжение на стабилитроне. Полученные данные занесите в таблицу 4.10.Таблица 4.10V1, ВVD1, ВID1, А01234568910121520Вычислите значение тока стабилитрона и занесите результаты в таблицу 4.10.По данным таблицы 4.10 постройте вольт-амперную характеристику. Укажите напряжение стабилизации.Построение вольт-амперной характеристики на экране осциллографаСоберите изображенную на рисунке 4.34 схему лабораторной установки.Рис. 4.34 – схема лабораторной установкиЗапустите моделирование.Откройте лицевую панель осциллографа (смотри рис. 4.35).Рис. 4.35 – лицевая панель осциллографа.Обратите внимание, что в данном эксперименте необходимо включить отображение канала B от канала A (B/A).Определите напряжение стабилизации по экспериментальным данным.Построение переходной характеристики при помощи DCSweepСоберите изображенную на рисунке 4.36 схему лабораторной установки.Рис. 4.36 – схема лабораторной установкиВыберитепунктменю: Simulate -> Analyses -> DCSweep.ОткроетсяокноDC Sweep Analyses (смотририс. 4.37)Рис. 4.37 - окноDC Sweep AnalysesВ окне измените параметры Startvalue, Stopvalue, Incrementсоответственно на -15, +15, 0,1.Перейдите на закладку Output. Смотри рисунок 4.38.Рис. 4.38 - окноDC Sweep AnalysesДобавьте параметр V(2) в окошковыходных параметров.Нажмите кнопку Simulate.Откроется окно GrapherView, гдебудет построена зависимость выходного напряжения от входного (переходная характеристика стабилитрона). Результат показан на рисунке 4.39.Рис. 4.39 – результат работы DCSweepAnalyses.Моделирование работы схемы стабилизации постоянного напряжения.Соберите изображенную на рисунке 4.40 схему лабораторной установки.Рис. 4.40 – схема лабораторной установкиПроверьте собранную схему. Замкнуть ключ J1, остальные ключи должны быть разомкнуты (это включит в цепь балластное сопротивление номиналом 500 Ом).Запустить моделирование.Зарисуйте с полученную осциллограмму (смотри рис. 4.41).Рис. 4.41 – осциллограмма работы стабилизатора при балластном сопротивлении R = 500ОмОстановите моделирование.Заполните таблицу 4.11 полученными данными.Таблица 4.11RБ, ОмA1, АU1, ВA2, АAd, АUd, В500100020004000Проведите моделирование для всех оставшихся номиналов балластного сопротивления.Зарисуйте осциллограмму для RБ = 4 кОм (смотри рис. 4.42).Рис. 4.41 – осциллограмма работы стабилизатора при балластном сопротивлении R = 4000ОмЧем вызвано отличие осциллограмм для RБ = 500 Ом и RБ = 4 кОм.Контрольные вопросыПостройте вольт-амперную характеристику стабилитрона.Объясните принцип действия стабилизатора.Для чего в стабилизаторе используется балластное сопротивление?Что такое ток пробоя стабилизатора?Что такое напряжение стабилизации?Как расчетным путем подобрать балансировочное сопротивление?4.5 Лабораторная работа №5 – «Исследование схемы транзисторного стабилизатора напряжения»Теоретическая частьРанее мы рассмотрели стабилизатор постоянного напряжения, построенный на стабилитроне. Рассмотренный стабилизатор относился к параметрическим стабилизаторам. Для увеличения мощности используют схему с эмиттерным повторителем (смотри рисунок 4.42).Рис. 4.42 – схема стабилизатора с эмиттерным повторителемКоэффициент стабилизации в этой схеме не увеличивается. Выходное напряжение определяется напряжением стабилитрона.За счет стабилитрона VD1 напряжение на базе транзистора практически не изменяется, что приводит в свою очередь к тому, что токи эмиттера и коллектора транзистора практически не изменяются при отклонении UВХ.Выходное напряжение UВЫХ является суммой напряжений на стабилитроне и на переходе между базой и эмиттером транзистора.Следовательно, в этой схеме выходное напряжение меньше напряжения стабилизации стабилитрона на величину падения напряжения на переходе база-эмиттер. Из-за наличия обратной связи по напряжению выходное сопротивление стабилизатора мало может составлять доли омов.Если необходимо регулировать выходное напряжение, то на базу следует подавать часть опорного напряжения, снимаемого с движка потенциометра, как это показано на рисунке 4.43. Обычно сопротивление потенциометра в несколько раз больше, чем R.Рис. 4.42 – схема стабилизатора с регулировкой выходного напряжения.Теперь перейдем к практической части нашей работы.Цель работыПолучение практических навыков построения и моделирования схем при помощи программного комплекса ElectronicsWorkbench.Изучение и анализ работы схемы транзисторного стабилизатора постоянного напряжения средствами контроля и измерения, входящими в комплект программного комплекса ElectronicsWorkbench, при различных нагрузках с использованием сглаживающих фильтров и без.Порядок проведения работыСоберите изображенную на рисунке 4.42 схему лабораторной установки.Запустите моделирование.Откройте лицевую панель осциллографа (смотри рис. 4.43).Запишите значения токов и напряжений с измерительных устройств.Остановите моделирование.По осциллограмме вычислите значение падения напряжения на переходе база-эмиттер.Рис. 4.42 – схема лабораторной установкиРис. 4.43 – осциллограммы входного и выходного напряженияСоберите изображенную на рисунке 4.44 схему лабораторной установки.Запустите моделирование.Рис. 4.44 – схема лабораторной установкиВ схеме использован потенциометр R3. Данный компонент находится в семействе Potentiometerгруппы Basiс (смотри рис. 4.45).Рис. 4.45 – окноSelect a Component.Настройте параметры потенциометра, как показано на рисунке 4.46.Рис 4.46 – окно настройки параметров потенциометра.Во время моделирования по средствам нажатия клавиши “A” изменяйте сопротивление потенциометра, одновременно наблюдайте за изменением осциллограмм.Зафиксируйте значение выходного напряжения при приращении номинала потенциометра на 10% (занесите значения в таблицу 4.12).Сделайте вывод о возможности управления выходным напряжением за счет подачи на базу транзистора части опорного напряжения.Таблица 4.12R3, %A1, АU1, АUd, В0102030405060708090100Контрольные вопросыПостройте выходную характеристику транзистора.Объясните принцип действия стабилизатора.Какие есть способы увеличения мощности стабилизатора?Какие схемы параметрических стабилизаторов на транзисторах Вы знаете.Какой еще тип стабилизаторов Вы знаете?5. Экономическое обоснованиеРасчет затрат на обеспечение лабораторного класса рабочими местами оснащенными программным обеспечением ElectronicsWorkbenchПримем, что в лабораторном классе должно быть установлено 8 рабочих машиномест. Исходя из этого, сформируем стоимость организации рабочего класса (смотри таблицу 5.1).Таблица 5.1№ ппСтатья расходаСтоимость, руб.Кол-во, шт.Общая стоимость, руб.1Системный блок PentiumIV,512 МБ, 1,2 ГБ HDD101008808002Монитор 17’’40008320003Сетевой фильтр Pilot300824004Операционная система Windows 775008600005Программное обеспечениеMultisim 10.010 лицензий 3750$ = 120000120000Итог:295200Сформируем ежемесячную статью расходов на содержание рабочего класса (таблица 5.2).Таблица 5.2№ ппСтатья расходаПотребляемая мощность, кВт/чКол-во, шт.Рабочих часов в месяц, чСтоимость часа, р.Общая стоимость, р.1Электроэнергия1.1Рабочие станции0,6817632534,41.2Освещение0,1101763528Итог:3062,0Амортизационные расходы составляют 10% от стоимости оборудования, т.е. ежемесячные расходы надо увеличить на 11520 р., что составит 14582 р.Расчет затрат на обеспечение лабораторного класса рабочими местами с традиционным оснащением№ ппСтатья расходаСтоимость, руб.Кол-во, шт.Общая стоимость, руб.1Осциллограф DSO1024A987508790000243101 - приборэлектроизмерительныймногофункциональный575084600032-х канальный генератор сигналов произвольной формыАНР-30001831081464804GSP-7730 - анализатор спектра цифровой4238583390805Лабораторный стенд1500081200006Сетевой фильтр Pilot30082400Итог:1443960Амортизационные расходы составляют 10% от стоимости оборудования: 144396 р./месяц.Из данного расчета можно сделать вывод, стоимость и содержание лабораторного класса оснащенного компьютеризированного лабораторного класса обходится значительно дешевле.Однако оптимальным будет являть совмещение электронного моделирования схем с наглядными измерениями на «живых» приборах, что повысит уровень подготовки будущего специалиста.6. Безопасность жизнедеятельности6.1 ОсвещениеПравильно спроектированное и выполненное производственное освещение улучшает условия зрительной работы, снижает утомляемость, способствует повышению производительности труда, благотворно влияет на производственную среду, оказывая положительное психологическое воздействие наработающего, повышает безопасность труда и снижает травматизм.Недостаточность освещения приводит к напряжению зрения, ослабляет внимание, приводит к наступлению преждевременной утомленности. Чрезмерно яркое освещение вызывает ослепление, раздражение и резь в глазах. Неправильное направление света на рабочем месте может создавать резкие тени, блики, дезориентировать работающего. Все эти причины могут привести к несчастному случаю или профзаболеваниям, поэтому столь важен правильный расчет освещенности. Существует три вида освещения - естественное, искусственное и совмещенное (естественное и искусственное вместе).Естественное освещение - освещение помещений дневным светом, проникающим через световые проемы в наружных ограждающих конструкциях помещений. Естественное освещение характеризуется тем, что меняется в широких пределах в зависимости от времени дня, времени года, характера области и ряда других факторов.Искусственное освещение применяется при работе в темное время суток и днем, когда не удается обеспечить нормированные значения коэффициента естественного освещения (пасмурная погода, короткий световой день). Освещение, при котором недостаточное по нормам естественное освещение дополняется искусственным, называется совмещенным освещением.Искусственное освещение подразделяется на рабочее, аварийное, эвакуационное, охранное. Рабочее освещение, в свою очередь, может быть общим или комбинированным. Общее - освещение, при котором светильники размещаются в верхней зоне помещения равномерно или применительно к расположению оборудования. Комбинированное - освещение, при котором к общему добавляется местное освещение.Согласно СНиП II-4-79 впомещений вычислительных центров необходимо применить систему комбинированного освещения.При выполнении работ категории высокой зрительной точности (наименьший размер объекта различения 0,3…0,5мм) величина коэффициента естественного освещения (КЕО) должна быть не ниже 1,5%, а при зрительной работе средней точности (наименьший размер объекта различения 0,5…1,0 мм) КЕО должен быть не ниже 1,0%. В качестве источников искусственного освещения обычно используются люминесцентные лампы типа ЛБ или ДРЛ, которые попарно объединяются в светильники, которые должны располагаться над рабочими поверхностями равномерно.Требования к освещенности в помещениях, где установлены компьютеры, следующие: при выполнении зрительных работ высокой точности общая освещенность должна составлять 300лк, а комбинированная – 750лк; аналогичные требования при выполнении работ средней точности - 200 и 300лк соответственно.Кроме того все поле зрения должно быть освещено достаточно равномерно – это основное гигиеническое требование. Иными словами, степень освещения помещения и яркость экрана компьютера должны быть примерно одинаковыми, т.к. яркий свет в районе периферийного зрения значительно увеличивает напряженность глаз и, как следствие, приводит к их быстрой утомляемости.6.2 Параметры микроклиматаПараметры микроклимата могут меняться в широких пределах, в то время как необходимым условием жизнедеятельности человека является поддержание постоянства температуры тела благодаря терморегуляции, т.е. способности организма регулировать отдачу тепла в окружающую среду. Принцип нормирования микроклимата – создание оптимальных условий для теплообмена тела человека с окружающей средой.Вычислительная техника является источником существенных тепловыделений, что может привести к повышению температуры и снижению относительной влажности в помещении. В помещениях, где установлены компьютеры, должны соблюдаться определенные параметры микроклимата. В санитарных нормах СН-245-71 установлены величины параметров микроклимата, создающие комфортные условия. Эти нормы устанавливаются в зависимости от времени года, характера трудового процесса и характера производственного помещения.Объем помещений, в которых размещены работники вычислительных центров, не должен быть меньше 19,5м3/человека с учетом максимального числа одновременно работающих в смену. Для обеспечения комфортных условий используются как организационные методы (рациональная организация проведения работ в зависимости от времени года и суток, чередование труда и отдыха), так и технические средства (вентиляция, кондиционирование воздуха, отопительная система).6.3 Шум и вибрацияШум ухудшает условия труда оказывая вредное действие на организм человека. Работающие в условиях длительного шумового воздействия испытывают раздражительность, головные боли, головокружение, снижение памяти, повышенную утомляемость, понижение аппетита, боли в ушах и т. д. Такие нарушения в работе ряда органов и систем организма человека могут вызвать негативные изменения в эмоциональном состоянии человека вплоть до стрессовых. Под воздействием шума снижается концентрация внимания, нарушаются физиологические функции, появляется усталость в связи с повышенными энергетическими затратами и нервно-психическим на­пряжением, ухудшается речевая коммутация. Все это снижает работоспособность человека и его производительность, качество и безопасность труда. Длительное воздействие интенсивного шума (выше 80 дБА) на слух человека приводит к его частичной или полной потере.Уровень шума на рабочем месте математиков-программистов и операторов видеоматериалов не должен превышать 50дБА, а в залах обработки информации на вычислительных машинах - 65дБА. Для снижения уровня шума стены и потолок помещений, где установлены компьютеры, могут быть облицованы звукопоглощающими материалами. Уровень вибрации в помещениях вычислительных центров может быть снижен путем установки оборудования на специальные виброизоляторы.6.4 Электромагнитное и ионизирующее излученияБольшинство ученых считают, что как кратковременное, так и длительное воздействие всех видов излучения от экрана монитора не опасно для здоровья персонала, обслуживающего компьютеры. Однако исчерпывающих данных относительно опасности воздействия излучения от мониторов на работающих с компьютерами не существует и исследования в этом направлении продолжаются.Максимальный уровень рентгеновского излучения на рабочем месте оператора компьютера обычно не превышает 10мкбэр/ч, а интенсивность ультрафиолетового и инфракрасного излучений от экрана монитора лежит в пределах 10…100мВт/м2.Для снижения воздействия этих видов излучения рекомендуется применять мониторы с пониженным уровнем излучения (MPR-II, TCO-92, TCO-99), устанавливать защитные экраны, а также соблюдать регламентированные режимы труда и отдыха.7. ЗаключениеВ ходе работы над дипломным проектом был произведен обзор программных продуктов, которые позволяют проектировать схемы электронных устройств и моделировать их работу. Мы обозначили сильные и слабые стороны упомянутых программных продуктов, тем самым подтвердив, что наш выбор в пользу программного комплекса ElectronicsWorkbench является осознанным.Во втором разделе настоящей дипломной работы были изложены основы работы с компонентом построения и моделирования схем программного комплекса ElectronicsWorkbench. Где мы показали удобство и легкодоступность в использовании данного программного обеспечения.Далее я провел анализ на предмет областей исследования предложенных схем, итогом которого был установлен объем их исследования.Основная часть дипломной работы – это пять лабораторных работ, посвященные исследованию и анализу предложенных схем. Задача, которую я ставил перед собой заключалась, не только в том чтоб исследовать заданные схемы, а еще и научить студентов основам работы с компонентом программного комплекса ElectronicsWorkbenchMultisim.В завершающей части дипломной работы были разработаны раздел экономического обоснования и раздел безопасности жизнедеятельности, посвященный работе с компьютером в лабораторном классе.Опираясь на сказанное выше считаю, что тема дипломной работы раскрыта полностью и является завершенной.8. Литература и список источников«Введение в Miltisim. Трехчасовой курс» - NationalInstrumentsРоссия, СНГ, Балтия. – 42 с ил. (официальное руководство поставляемое с программным продуктом).«Схемотехника: методические указания к лабораторным работам / сост. С.Г. Исаев. – Пенза: Информационно-издательский центр ПГУ, 2008. – 92 с ил.«Электронное руководство пользователя адаптированное к версии 2010 года» - ISSUE 6.0, LabcenterElectronics, 2002. – 143 с ил.«Электропитание устройств связи: Учебник для вузов»/ А.А. Бокуняев, Б.В. Горбачев, В.Е.Китаев и др.; Под ред. В.Е.Китаева. – М.:Радио и связь, 1988. 280 с.«Электропитание устройств связи: Учебное пособие»/ Б.М. Махкамджанов, М.Э. Яськова, У.Т. Алиев; Под ред. Х.С. Соатова – Ташкент: ТУИТ. 2005, 129 с.Амелина М.А., Амелин С.А. «Программа схемотехнического моделирования Micro-CAP 8» – М.: Горячая линия –Телеком, 2007. – 464 с ил.Березин О.К., Костиков В.Г., Шахнов В.А. «Источник электропитания радиоэлектронной аппаратуры» - М.: «Три Л», 2000. – 400 с ил.Бокуняев А.А., Горбачев Б.В.,Захаров М.Ф. и др. «Электропитание устройств и систем телекоммуникаций (конспект лекций)» - М.: МТУСИ. 2004, 129 с.Борисов А.П. «Учебно-методическое пособие «Электротехника и электроника часть 2. Электроника» - Алт. гос. ун-т им. И.И. Ползунова. – Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2012. – 55 с ил.Букреев С.С., Головацкий В.А. «Источники вторичного электропитания» - М.: Радио и связь, 1983. – 280 с ил.Бурькова Е.В. «Электроника: методические указания к лабораторному практикуму на ElectronicsWorkbench» / Е.В. Бурькова – Оренбург, ГОУ ОГУ, 2008. – 70 с.Бушуев В.М. «Электропитание устройств и систем телекоммуникаций: Учебное пособие для вузов» - М.; Горячая линия – Телеком, 2009. – 384 с ил.Каяцкас А.А. «Основы радиоэлектроники» М.: Высш. шк., 1998 175–185 с ил.Китаев В.Е., Бокуняев А.А., Колканов М.Ф. «Расчет источников электропитания устройств связи. Учебное пособие для институтов связи» – М.: Радио и связь 1993. – 226 с.Костиков В.Г., Парфенов Е.М., Шахнов В.А. «Источники электропитания электронных средств. Схемотехника и конструирование: Учебник для вузов. – 2-е изд. – М.: Горячая линия – Телеком, 2001. – 344 с ил.Максимов А. «PROTEUS VSM. Система виртуального моделирования схем», 2006. – 26 с ил.Официальный сайт компании LabcenterElectronics- www.labcenter.com.ОфициальныйсайткомпанииNationalInstruments Electronics Workbench Group www.electronicsworkbench.com.Официальный сайт компании SpectrumSoftware - www.spectrum-soft.com.Пасынков В.В., Чиркин Д.К., Шинков А.Д. «Полупроводниковые приборы» М. :Высш. шк., 1981. - 166-248 с ил.Ромаш Э.М. «Источники вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры» - М.: Радио и связь, 1981. – 224 с ил.Ромаш Э.М. «Источники вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры» – М.: Радио и связь, 1981. – 224 с.Хернитер Марк Е, «Multisim 7: современная система компьютерного моделирования и анализа схем электронных устройств» (Пер. с англ.)/Пер. с англ. Осипов А.И. – М.: Издательский дом ДМК-пресс, 2006. – 499 с ил.