Einführung Spannungsstabilisierung mit NI Multisim

Transkript

1 Einführung Spannungsstabilisierung mit NI Multisim Inhalt Einführung Spannungsstabilisierung mit NI Multisim... 1 Vorwort... 2 Einführung in NI Multisim... 2 Übersicht über die wichtigsten Bedienelemente in NI Multisim... 2 Projekt erstellen... 3 Schaltzeichennorm anpassen... 3 Bauteile in die Schaltung hinzufügen... 3 Positionieren der Bauteile... 4 Verbinden von Bauelementen... 4 Platzieren von Messgeräten... 5 Simulieren von Schaltungen... 5 Das Benutzen von Mess-Tastköpfen... 6 Erstellen einer Gleichspannung (AC/DC Wandlung)... 7 Spannungsstabilisierungen... 9 Spannungsteiler... 9 Spannungsstabilisierung mit Z-Dioden Spannungstabilisierung mit Z-Diode und Transistor (Linear geregeltes Netzteil) Effiziente Spannungsstabilisierung mit PWM (Schaltnetzteile)

2 Vorwort Diese Anleitung ist für Auszubildende im Bereich Elektrotechnik gedacht, die sich in die Thematik Spannungsstabilisierung/Schaltnetzteile und deren Simulation mit NI Multisim einarbeiten wollen. Einführung in NI Multisim Übersicht über die wichtigsten Bedienelemente in NI Multisim A Werkzeugleiste B Schaltungswerkzeuge C Infoleiste D Messinstrumente E Simulation Ein/Aus Schalter F Arbeitsfläche G Verwaltungsleiste A Die Werkzeugleiste beinhaltet grundsätzliche Instrumente, um die Schaltung zu erstellen, zu bearbeiten oder zu ändern und um den Schaltplan zu speichern und zu öffnen. Damit kann man auch die Ansicht der Arbeitsfläche anpassen, aus- und einzoomen, die nötigen Bauelemente aus verschiedenen Bauelementgruppen hinzufügen und Leitungen zwischen den Bauelementen verlegen, sowie die Schaltung speichern oder öffnen. B Mit der Schaltungswerkzeugleiste kann man die Sichtbarkeit der Beschriftungen der Schaltung einstellen, z.b. Namen oder Werte der Bauelemente einzeigen lassen. 2

3 C In der Infoleiste kann man Information, den Status, Fehler und Meldungen zu der Schaltung sehen. D Auf der Messinstrumentenleiste kann man Messwerkzeuge (Oszilloskop, Frequenzzähler, Leistungsmesser, digitales Vielfachmessinstrument, usw.) zum Messen und Anzeigen der Schaltungseigenschaften aussuchen und in die Schaltung integrieren. E Mit dem Schalter Simulation EIN/AUS kann man eine Simulation starten, um die Schaltung auf Funktion zu prüfen und die Werte auf den Messinstrumenten abzulesen. F Auf der Arbeitsfläche kann man die gewünschte Schaltung unter Verwendung beliebiger Bauelemente und Messinstrumente erstellen. G In der Verwaltungsleiste kann man die typischen Reitern wie Datei, Bearbeiten, Einfügen, Ansicht, etc. benutzen, um Schaltungen zu verwalten, Ansichten der verschieden Leisten anzupassen oder Grundeinstellungen zu ändern. Projekt erstellen Meistens erstellt NI Multisim schon von Anfang an eine neue Schaltung. So kann man sich meistens den Schritt sparen. Schaltzeichennorm anpassen Wer sich schon mit Multisim beschäftigt hat wird feststellen, dass z.b. die Widerstände in der amerikanischen Form dargestellt werden. Dies kann man unter der Schaltfläche Optionen- >Allgemeine Einstellungen unter dem Reiter Bauelemente finden. Durch das Auswählen der DIN (Deutsches Institut für Normung) Schaltzeichennorm wechseln wir in die deutsche Darstellung. Bauteile in die Schaltung hinzufügen Bauteile sind in Multisim in Gruppen einsortiert. Angefangen mit Sources (Spannungsversorgungen/Quellen) bis NI_Components (Bauteile von National Instruments). Um sich diese Werkzeugleiste (rote Umrandung) einzublenden, gehen sie wie folgt vor. Unter Ansicht-> Werkzeugleisten-> Bauelemente können sie die Werkzeugleiste aktivieren. 3

4 Klicken Sie nun auf ein Symbol in der Werkzeugleiste. Sie kommen direkt zum Fenster Bauelemente (grüner Rahmen). Nun können Sie über OK das benötigte Bauteil in die Schaltung einfügen. Neben den realen Bauelementen gibt es auch noch virtuelle, die sich unter den Werkzeugleisten Grundelemente, Spannungsversorgung, Dioden, Transistorbauelemente verbergen. Positionieren der Bauteile Mit Hilfe der gedrückten linken Maustaste können sie Bauteile positionieren. Um die Bauteile im 90 Winkel zu drehen, benutzen Sie die Strg + R Taste. Verbinden von Bauelementen Nachdem wir die Bauteile in der Schaltung platziert haben, kommen wir zum Verdrahten. Kommt die Maus in die Nähe eines Anschlusses, ändert sich das Maussymbol und mit dem Klicken der linken Maustaste kann eine Verbindung gezogen werden. 4

5 Platzieren von Messgeräten Würden wir jetzt diese Schaltung simulieren, haben wir noch keine Eregebnisse. Um jetzt den Strom oder die Spannung an unserer Schaltung messen zu können, brauchen wir, wie im richtigen Leben, noch Messgeräte. Unter dem Symbol Anzeige (Bild) öffnet sich, wie wir schon kennengelernt haben, das Bauelement auswählen Fenster. Hier können wir zwischen VOLTMETER (Spannungsmessgerät) und AMMETER (Strommessgerät) auswählen. Die Messgeräte werden wie normale Bauelemente verbunden. Simulieren von Schaltungen Wenn wir jetzt die Schaltung simulieren wollen (Schalter in Position I oder Play-Button), bekommen wir eine Fehlermeldung. Multisim setzt voraus, dass wir unserer Schaltung ein Bezugspotenzial zuweisen! Dieses können wir realisieren, indem GROUND in die Schaltung eingefügt wird. Sie finden diese Komponente unter SOURCES. Nachdem wir diese ergänzt haben, können wir die Schaltung simulieren. 5

6 Das Benutzen von Mess-Tastköpfen Die Ergebnisse werden recht praktisch direkt in der Schaltung abgelesen. Leider muss man die Schaltung für die Messung immer modifizieren. Es gibt aber auch eine andere Möglichkeit, die Werte für Spannung und Strom zu messen. Die Mess-Tastköpfe können einfach an die Verbindung angelegt werden, um dann die Werte abzulesen. Sie finden die Mess-Tastköpfe in der Werkzeugleiste Instrumente. 6

7 Erstellen einer Gleichspannung (AC/DC Wandlung) Unsere Energieversorgung erfolgt aus dem Wechselspannungsnetz. Leider benötigen die meisten elektronischen Bauteile und Geräte Gleichspannung. Im Folgenden werden wir uns mit dem Wandeln der Wechselspannung in eine Gleichspannung befassen. Durch das Verwenden von 4 Dioden in Brückenschaltung erhalten wir eine gleichgerichtete Wechselspannung, welche keine negativen Bestandteile mehr aufweist. Leider arbeiten IC nicht mit dieser Mischspannung, wie man die gleichgerichtete Wechselspannung auch nennt. Beispiel einer mit NI Multisim simulierten Zweipuls-Brückenschaltung (B2U) ohne Glättungskondensator: 7

8 Die pulsierende Gleichspannung, die durch eine B2U Gleichrichterschaltung entsteht, kann mithilfe eines Kondensators, der parallel zur Last in die Schaltung gesetzt wird, geglättet werden. In diesem Fall bezeichnet man den Kondensator als Glättungskondensator. Dieser überbrückt die Spannung bis zur nächsten Spitze. Dabei entsteht auf der Gleichspannung noch eine gewisse Restwelligkeit, welche auch als Brummspannung bezeichnet wird und gegebenenfalls mit Filtern noch weiter geglättet werden kann. Auch sollte bei hoher Belastung unseres Gleichrichters (Wandlers) die Eingangsseite mit einem Eingangsfilter (Spule und Kondensator) versehen werden, um die Stromspitzen vom Aufladen des Kondensators zu glätten. Beispiel einer mit NI Multisim simulierten Zweipuls-Brückenschaltung (B2U) mit Glättungskondensator: 8

9 Wie in der Abbildung zu erkennen ist, wird der Kondensator während der Durchlassphase der Dioden aufgeladen. Sinkt die pulsierende Gleichspannung unter den Wert der Kondensatorspannung, sperren die Gleichrichterdioden und der Kondensator entlädt sich über die Last. Die Zwischenräume der Spannung werden so minimiert. Wählt man einen Kondensator mit einer größeren Kapazität, ist es möglich, eine nahezu optimale Gleichspannung zu erzeugen. Um die auch dann noch vorhandene Restwelligkeit zu beseitigen, kann ein Siebschaltung ergänzt werden. Diese bestehen aus RC- oder LC-Gliedern. Spannungsstabilisierungen Problemstellung Häufig werden in der Elektrotechnik konstante Gleichspannungen benötigt, z. B. 12V im PC oder 24V in industriellen Anlagen. Dabei müssen diese Netzteile, die die benötigten Spannungen liefern, stets mit unterschiedlichen Lasten fertig werden. Die Lösung dieses Problems wird im Folgenden mit verschiedenen Schaltungsvarianten analysiert. Spannungsteiler In der folgenden Abbildung sehen wir die Lasteinstellung bei 5kΩ. Die im Leerlauf eingestellte Spannung des Spannungsteilers von 6V erreichen wir bei Belastung nicht. Der Widerstand von 5KΩ senkt den Spannungswert an R2 nur wenig, sodass wir auf 5,45V kommen. Das Verhältnis von genutzter Leistung zu zugeführter Leistung beträgt hierbei 5,94mW zu 77,4mW. Somit kommen wir auf einen Wirkungsgrad von 7,67%. Bei der folgenden Schaltung wurde der Lastwiderstand auf 500 reduziert. Hier wird deutlich, wie die Parallelschaltung aus Widerständen den Spannungsteiler beeinflusst und wir somit weit von unserem geforderten Wert von 6V entfernt sind. Es wird deutlich, dass ein Spannungsteiler für Lastschwankungen sehr ungeeignet ist, um konstant eine gewünschte Spannung zu halten. Um eine gewünschte Spannung zu halten, benötigen wir eine Referenzspannung, die sich bei Last so gut wie nicht verändert. Hier kommt z. B. die Z-Diode zum Einsatz. 9

10 Spannungsstabilisierung mit Z-Dioden In der folgenden Z-Diodenschaltung wird die stabilisierte Spannung der Z-Diode mit einem Widerstand von 5k belastet. In dem nächsten Beispiel beträgt die Belastung 4,25k Sofort fällt der hohe Stromverbrauch der Z-Diode auf. Auch wenn wir die eingestellte Z-Spannung erreichen und keine großen Abweichungen erleben, hat unsere Stabilisierung einen schlechten Wirkungsgrad. Dies liegt auch an dem Widerstand R1 in unserer Schaltung. Hiermit bestimmen wir den Strom, der durch unsere Schaltung fließt. 10

11 Bei dieser Schaltung beträgt die Belastung 550. Hier fällt auf, dass der Strom für Izmin deutlich unterschritten wurde und somit die Z-Spannung nicht mehr gewährleistet ist. Fazit: Die Spannungsstabilisierung mittels Z-Diode arbeitet nur in bestimmten Grenzen. Dabei darf Izmin nicht unterschritten und Izmax nicht überschritten werden. Außerdem hat die Schaltung bei geringer Last einen schlechten Wirkungsgrad, da sich die benötigte Leistung der Schaltung nicht der benötigten Last anpasst. Spannungstabilisierung mit Z-Diode und Transistor (Linear geregeltes Netzteil) Bei den Spannungsstabilisierungsschaltungen mit Z-Diode wird erkennbar, dass auch diese Schaltungen neben dem geringen Wirkungsgrad auch noch der eingeschränkte Arbeitsbereich (Izmin-Izmax) hinzukommt. Dieses Problem wollen wir mit einem einstellbaren Widerstand beseitigen. Hierbei fungiert ein Transistor für uns als Widerstand. Dies Bild zeigt den Aufbau eines linear geregelten Netzteiles. Im Unterschied zur Stabilisierung mit der Z-Diode ohne Transistor, fungiert nicht die Z-Diode als belastetes Bauteil, sondern der neu eingefügte Transistor. Die Z-Diode wird in diesem Fall nur als Referenzspannung herangezogen. Der Widerstand R1 bestimmt nur den Strom für die Z-Diode und den Eingangsstrom für den Transistor und ist gegebenenfalls verstärkt zu berücksichtigen, wenn man die Eingangsspannung ändert. Durch die Z-Spannung von 6,2V erhält der Transistor immer eine konstante Spannung als Basisspannung. Die meisten NPN-Transistoren weisen eine Basis-Emitter-Spannung von 0,6-0,7V auf, welche man von der Z-Spannung abziehen muss. Aus diesem Grunde liegt die Ausgangsspannung immer 0,7 V unter der Z-Spannung. Im Folgenden werden wir auf die Wirkungskette bei einer Laständerung eingehen. Ausgangssituation der Wirkungskette: Erhöhung der Belastung. Wenn die Belastung steigt, wird im Endeffekt der Widerstand (R2) geringer. Das hat zur Folge, dass der Spannungsabfall am Widerstand R2 geringer wird, da wir davon ausgehen, dass sich der Widerstand an dem Transistor noch nicht geändert hat. Da sich Uz nicht ändert, muss sich somit die Spannung Ube vergrößern. Als Folge der Erhöhung von Ube steigt auch der Strom Ib an und mit der Stromverstärkung des Transistors auch der Strom Ic. Ein höherer Strom lässt aber den Transistor 11

12 weiter öffnen und senkt somit seinen Widerstand. Da der Widerstand des Transistors R(Q1) gesunken ist, fällt wieder mehr Spannung am Widerstand R2 ab. Schon sind wir am Ende unserer Wirkungskette. Die Spannung an der Last hat sich angepasst und somit unsere Spannung von ~ 5,5V eingestellt. Diese Bild zeigt eine Last von 40. Schön ist hier der Strombedarf zu sehen. Zum Vergleich mit der Stabilisierung nur mit Z-Diode hatte unsere Schaltung fast immer den gleichen Leistungsbedarf. Hier fließt nur der benötigte Strom der Last durch unsere Schaltung, plus der Stromstärke für die Basis des Transistors und der Z-Diode. Doch auch hier haben wir Verlustleistung, die in Wärme am Transistor abgegeben wird. Die Differenz zwischen der Eingangsspannung und der benötigten Ausgangsspannung, eingestellt durch die Z-Diode, verarbeitet der Transistor in Wärme. Diese Art der Stabilisierung finden wir in allen Festspannungsreglern, z. B. in der Schaltung des 7805 mit der Ausgangspannung von 5V. Hinzugefügt werden noch Schaltungen, wie die Kurzschlusserkennung, Überlasterkennung und eventuell Übertemperatur. Somit beinhaltet z. B. ein Festspannungsregler nicht nur die oben besprochene Schaltung, sondern noch einiges mehr. Das Grundprinzip ist aber gleich. 12

13 Effiziente Spannungsstabilisierung mit PWM (Schaltnetzteile) Schaltnetzteile haben einen großen Vorteil, da sie einen hohen Wirkungsgrad haben und sie sich fast jeder Eingangsspannung anpassen können. Die Realisieren Schaltnetzteile mit einem effektiven Regelkreis und der PWM Taktung von Schaltern. Im Netzteil werden keine richtigen Schalter eingesetzt, sondern meistens Leistungs-Mosfets, welche die Funktion eines Schalters übernehmen. Da leider keine Schaltregler in Multisim simuliert werden können (ist uns zumindest nicht bekannt), wurde der Teil hier nicht weiter ausgeführt. 13