Электрические модели полупроводниковых измерительных преобразователей

1. Фурсанов М. И. Методология и практика расчетов потерь электроэнергии в электрических сетях энергосистем. - Мн.: Тэхналопя, 2000. - 247 с.

2. Обучающая диалоговая система для оценки, нормирования и снижения потерь электроэнергии в электрических сетях энергосистем / М. И. Фурсанов, О. А. Жерко, В. Г. Коро-люк, А. В. Вериго // Энергетика... (Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ). - 1996. - № 1-2.-С. 30-34.

3. Фурсанов М. И., Муха А. Н. Программно-вычислительный комплекс «ООКЖ» для расчета и оптимизации распределительных (городских) электрических сетей 10 (6) кВ // Энергетика. (Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ). - 2000. - № 3. - С. 34-39.

4. Железко Ю. С., Артемьев А. В., Савченко О. В. Расчет, анализ и нормирование потерь электроэнергии в электрических сетях: Руководство для практических расчетов. - М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2003. - 280 с.

5. Моделирование разомкнутых электрических сетей в условиях АСУ / М. И. Фурсанов, О. А. Жерко, А. Н. Муха // Материалы междунар. 53-й науч.-техн. конф. профессоров, преподавателей, научных работников и аспирантов БГПА. - Мн.: БГПА, 1999. - С. 10.

6. Ветцель Е. С., Овчаров Л. А. Теория вероятностей и ее инженерные приложения: Учеб пособие для втузов. - 2-е изд. - М.: Высш. шк., 2000. - 480 с.

7. Будзко И. А., Зуль Н. М. Электроснабжение сельского хозяйства. - М.: Агропромиз-дат, 1990.-496 с.

Представлена кафедрой электрических систем Поступила 14.12.2004

УДК 621.382.2:53.072

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Докт. техн. наук, проф. СЫЧИК В. А., инженеры УЛАСЮК Н. Н., ШУМИЛО В. С.

Белорусский национальный технический университет

В связи с эффективным внедрением интегральной технологии в производство многофункциональных измерительных преобразователей, сформированных на основе полупроводниковых приборных структур, резко возрастает количество пленочных компонентов. В процессе разработки измерительных преобразователей (ИП) возрастает необходимость анализа и параметрической оптимизации переходных характеристик таких структур.

Решение данных вопросов при минимальных вычислительных затратах производим с помощью макромоделей полупроводниковых ИП, воспроизводящих с достаточной степенью адекватности поведение схемы ИП для входных, передаточных и выходных характеристик. При формировании электрической модели ИП используем принципы упрощения, на основании которых синтезируем их формальные и блочные макромодели.

Обобщенную схему формальной модели ИП формируем из следующих блоков (рис. 1а): входного, реализующего динамические входные характеристики и функцию преобразования; промежуточного, обеспечивающего заданные динамические характеристики и статическую передаточную характеристику; выходного, воспроизводящего выходную характеристику.

43

При этом входные и выходные блоки представляют соответственно входные и выходные цепи моделируемых элементов базисов преобразователей, а промежуточный блок описывается аналитическими выражениями или эквивалентными схемами. Поскольку входные характеристики ИП обычно имеют нелинейный комплексный характер, генератор тока с входным сопротивлением должен выражаться функцией видаЛвх = Ливх,

Электрическую схему формальной модели измерительного преобразователя излучений (ИПИ) (рис. 1б) формируем в соответствии со структурной схемой (рис. 1а).

Эквивалентная схема входного блока ИПИ (рис. 1г) включает Лвх = = ^вхн + ^вх.у и источник тока 1вх. Составляющая Явху отражает характер изменения электрических свойств входного блока при воздействии преобразуемого излучения Л^(вх), а Лвх.н - независящая от преобразуемого воздействия составляющая, учитывающая изменения параметров других элементов блока. Промежуточный блок (элементы Е1, Я1, С1) реализует передаточную и переходную характеристики. Динамические свойства схемы ИПИ реализуются в блоке задержек макромодели, который в соответствии со статической передаточной характеристикой определяет длительность задержки выходного сигнала.

Выходной блок, основной функцией которого является воспроизведение статических выходных характеристик 1вых = Дивых), как обязательный элемент содержит источник тока 1вых, задающий соответственно выходной ток. В схему замещения также входит выходное сопротивление Лвых, изменение которого учитывается путем включения в выходную цепь зависимого источника напряжения Е2.

Для создания макромоделей полупроводниковых ИП способом исключения отдельных компонентов из схемы в различных режимах работы используем теорию чувствительности [1]. При формировании макромодели ИП излучения интенсивности Л^вх производим сравнение чувствительности выходного напряжения со всеми параметрами элементов схемы ИП для трех участков статической передаточной характеристики ивых = ДД^) (1, 2, 3) (рис. 1в). Для каждого участка выделяем главные элементы, чувствительность которых намного выше, чем других. Главные элементы затем включаем в макромодель, а вспомогательные не рассматриваем.

Формальную электрическую модель многовходного ИПИ с логической функцией преобразования описываем статической /вх.г(ивхг) и динамической входной /вх.г(ивхг-, ёивхШ() характеристиками, статической передаточной характеристикой при холостом ходе на выходе

ивых/Ц)/ = 1...т, у = 1...п.

Структура синтезированной формальной модели многовходного ИПИ представляет эквивалентную схему т входных и п выходных блоков (рис. 1д). Источник тока /вхг- моделирует статическую емкость Свхг- - динамическую входную характеристику преобразователя. Источник напряжения Е моделирует статическую передаточную характеристику Цвых = ДЦ), где определяющее напряжение V есть функция входных переменных. С помощью выходной ЯуСвых]- цепи моделируется переходная характеристика у-го выхода. Значение напряжения источника равно напряжению на

емкости, а в статическом режиме - напряжению источника Е Источник тока /вых.;- позволяет учесть нагрузочную способность элемента.

Вход Входной Промежу- Выходной

блок точный блок блок

Выход

\7_VD1 Um

5LVD2

RE&!.H

2

1 Ф /,

Вход 1

Вход m

д

R1 L

^ ^"/вх.т /" ""\Е ВЫх1 Свы1х1 f вых1 f ^вых,

ЛА W W У*) „

Rn

ЪК.П

[1ых.п

Рис. 7. а - обобщенная структурная схема формальной модели ИП; б - электрическая схема ИПИ; в - его передаточная характеристика; г - эквивалентная схема преобразователя излучения; д - обобщенная формальная модель многовходного ИПИ

а

б

в

N

N

г

E

R

R

U

C

C

вых.п

Все блоки, моделирующие статические характеристики ИП, описываются кусочно-линейными функциями типаy = akx + bk, к = 1...« , где y -любая из функций, описывающих IBXi, Ej, 1вых; х - соответствующие им аргументы £/вх.г, Цвых.;, U.

Чтобы с достаточной степенью точности смоделировать переходную характеристику ИП, выделяем на ней несколько характерных участков, в каждом из которых задаем свою постоянную времени т;- = RjC^j, причем обычно Rj = const; Свых;- = var.

Если достигнутая с помощью формальных макромоделей точность расчета невысока, то используем адекватные (блочные и схемные) макромодели, синтез которых в общем случае проводим на основе снижения порядка алгебродифференциальных уравнений, описывающих статику и динамику ИП.

Для многовходного ИП, работающего на ЯС-нагрузку (рис. 2), связь между входными и выходными напряжениями в адекватной модели получаем из решения системы уравнений Кирхгофа:

Uвых1(A11d2/dt2 + Л21ШЛ + 1) = ивх1(Б^2Ш2 г + Б2,сИсИ + 1) - иэ1;

Цвых.»^^2М2 + Л2,4Ш + 1) = ивхп(БшД2Ш+ Бг^/Л + 1) - иэп.

c,-LC

—I— н

Рис. 2. Электрическая схема многовходного полупроводникового ИП

Здесь U3n = фт1п1эп/1э0 - напряжение на эмиттерном переходе; 1э0 - статический эмиттерный ток:

A1n Хэ(Хм.вх + ^См.вх)(1 + Rм.вх/Rм); A2n = Хэ(1 + R1R) + Cм.вх (rэ + R^a + Гз/R»)); B1 B2n = ^э + ^м.вх; тэ = rэ(С]0 + ^м.вх = См.вх-^м.вх; ^ = 1/фт-

Здесь фт/1э = гэ; R1 = R^ + R63 (Сп/С^) - приведенное сопротивление базы; Смвх, R^^ - емкость и сопротивление, моделирующее входное сопротивление ИП.

Для расчетов параметров ИП с повышенной точностью коэффициенты A1n, A2n, B1n, B2n вычисляются на каждом временном шаге решения системы.

При составлении уравнений адекватной модели ИП сделаны следующие допущения:

1) исходные значения I0 = const; U0n = const;

2) параметры триодных структур ИП идентичны;

3) ВАХ эммитерных переходов представлены в виде кусочно-линейной аппроксимации U = фт1п1э/1э0 + irэ.

При аппроксимативном снижении порядка результирующего алгебро-дифференциального уравнения использовались выражения, связывающие напряжение между внутренними базовыми точками входной и опорной триодных биополярных структур, а также напряжения на входе и выходе [2]:

Ura = (U^ - Un + d/dtCRU - Un))/(1 + gu + g2i); gu = (Rэ + R1/P + 1)g3i;

g2i = R2C1(1 + g1i) + (R1 + R2)(Cc + XTN^g3i);

g3i = 7оехрШввД1 + ЕехрШвв;)(1 + ехрШвв,),

где ивх.7 — напряжение на входе 7-й триодной структуры т входного ИП; К2 = ^аСка/Сс; Сс - включающая емкость коллектора триодной структуры ИП.

Зависимости коллекторных токов активного и опорного триодов от иББ7 в адекватной модели ИП представляются в виде:

1}С7 = 1о — I

КП,

1кп = 1о/(1 + ЕехрШвв,).

Для коллекторных узлов, к которым подключены емкости нагрузки Сн, выполняются следующие соотношения: • для прямого выхода

ип(1 + СвиЛ№) = ЦДОкп — ВД,

• для инверсного выхода

ии(1 + Сяиё/Ы) = ил//о(/кп + СДОвх 7 — ик^/ёГ).

Система уравнений (2)...(6) представляет адекватную модель многовходного ИП, типовая электрическая схема которого изображена на рис. 2, а ее блочная структура — на рис. 3. Каждый из блоков также описывается соответствующим уравнением (2)...(6), а последовательность использования уравнений в адекватной модели ИП осуществляется по указанным на схеме стрелками направлениям.

Рис. 3. Блочная структура адекватной макромодели многовходного ИП

ВЫВОДЫ

1. Электрические модели полупроводниковых ИП позволяют эффективно использовать методики поэтапного проектирования, что обеспечивает объединение схемотехнического и логико-функционального этапов проектирования, причем необходимая часть структуры ИП может моделироваться на компонентном уровне, а другая — на уровне функциональных макромоделей.

2. Основными типами электрических макромоделей, используемых при моделировании многофункциональных полупроводниковых ИП для точных расчетов характеристик синтезируемых структур, следует считать

приближенные макромодели, которые строятся на основе более простой исходной схемы на компонентном уровне, и формальные макромодели, базирующиеся на формальной аппроксимации внешних характеристик многофункциональных ИП.

ЛИТЕРАТУРА

1. Б у б е н н и к о в А. Н. Моделирование интегральных микротехнологий, приборов и схем. -М.: Высш. шк., 1989. - 320 с.

2. А р х а н г е л ь с к и й А. Я. Модели полупроводниковых приборов для машинного расчета электронных схем. - М.: МИФИ, 1978. -Ч. 1.-109 с.

Представлена НИЛ сетевых

информационных технологий Поступила 1.07.2002

УДК 621.311

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОЙ СЕТИ

Канд. техн. наук, доц. ПОЛУЯНОВ М. И., инж. СЧАСТНАЯ Е. С., студ. МОИСЕЕНКО Ю. А.

Белорусский национальный технический университет

Для определения мест однофазных замыканий на землю (ОЗНЗ) - наиболее распространенных повреждений в распределенных сетях с изолированной нейтралью - используются стационарные высокочастотные устройства тонального диапазона [1.. .3]. При этом, как правило, выявляется лишь эквивалентное сопротивление или расстояние от центра питания до места замыкания. Следовательно, при наличии в линиях нескольких достаточно длинных ответвлений, что характерно для распределительных сетей, в зону дальнейшего поиска поврежденного элемента путем обхода включаются до 3...4 участков длиной 2.3 км каждый. По этой причине способы поиска мест однофазных замыканий на землю в распределительных сетях 6-10 кВ с изолированной нейтралью, базирующиеся на стационарных высокочастотных устройствах и сводящиеся к определению эквивалентных величин, недостаточно эффективны в разветвленных распределительных сетях. Целесообразна разработка таких приемов использования стационарных высокочастотных устройств тонального диапазона, которые в распределительных сетях 6-10 кВ позволили бы:

• четко определить поврежденный участок разветвленной сети;

• сузить зону поиска поврежденного элемента путем обхода;

• создать предпосылки для автоматизации ряда операций процесса поиска.

Для этого следует выбрать такой информационный параметр, создаваемый высокочастотным источником в распределительной сети при однофазных замыканиях на землю, который удовлетворял бы перечисленным требованиям.