W pierwszym materiale tego cyklu opisano, czym jest pakiet QSPICE i co wyróżnia go na tle innych tego typu narzędzi do symulowania zachowania układów elektronicznych. W części poradnikowej tamtego artykułu przedstawiono, w jaki sposób wykorzystać można edytor schematów elektronicznych, wskazując, jak tworzyć i dostosowywać obwody elektryczne. Tym razem opisana zostanie symulacja sygnałów przejściowych, która jest istotną funkcją pozwalającą na zrozumienie zachowania obwodów w czasie. W ramach przykładu przeprowadzono symulację układu zasilania prądem stałym.
Projekt prostego zasilacza prądu stałego
Prosty zasilacz prądu stałego jest niezbędny w laboratorium. Zapewnia stałe i niezawodne napięcie DC dla testowanych obwodów, gwarantując ich optymalne działanie. Może być używany do zasilania wielu urządzeń, m.in. radia, wzmacniaczy, małych systemów oświetleniowych i wbudowanych oraz obwodów mikrokontrolerów. Może być zbudowany przy użyciu łatwo dostępnych komponentów, takich jak transformator, mostek diodowy, kondensator i ewentualnie regulator napięcia. Transformator przekształca napięcie sieciowe w niższe, zmienne, mostek diodowy prostuje je w dodatnie pulsujące, a kondensator filtruje je w celu zmniejszenia tętnień. Za nim znajdować może się stabilizator napięcia, który, jak sama nazwa wskazuje, stabilizuje je na stałej wartości. Kombinacja tych elementów daje zasilacz DC, który może być używany do bezpiecznego i efektywnego zasilania urządzeń elektronicznych. Jego implementacja to z pewnością pierwszy krok dla miłośników elektroniki i stanowi doskonałe miejsce do rozpoczęcia bardziej złożonych projektów wymagających zasilaczy. Projekt potrzebuje z kolei dokładnej analizy schematu i, co ważniejsze, oceny pożądanych cech elektrycznych. Średnie wymagania budowanego zasilacza są następujące:
* Napięcie zasilania: około 30 V.
* Maksymalny prąd obciążenia: około 4 A.
* Częstotliwość transformatora: 50 Hz.
Schemat pokazany na rysunku 1, stworzony został przy użyciu edytora QSPICE, przedstawia bardzo proste rozwiązanie systemu zasilania DC. Nie jest ono stabilizowane i dostarcza jedynie napięcie stałe wynoszące około 30 V (bez obciążenia). Przyglądając się schematowi, trzeba zwrócić uwagę na kilka bardzo ważnych elementów opisowych i komponentów, które są częścią obwodu:
* V2 to źródło napięcia zmiennego z sieci zasilającej. Ma ono wartość szczytową 325 V i napięcie skuteczne 230 V. Jego częstotliwość wynosi 50 Hz.
* X1 to idealny transformator napięciowy, składający się z 480 zwojów w pierwotnym uzwojeniu i 50 zwojów we wtórnym. Zawiera też dwie wzajemnie sprzężone cewki. Można określić dodatkowe parametry pracy, ale na razie najlepiej zostawić je w ich wartości domyślnej.
* D1, D2, D3 i D4 to mostki diodowe, których celem jest przeistoczenie energii zmiennego prądu w energię quasi-stałą. Ich głównym zadaniem jest prostowanie sygnału zmiennego. A więc przekształcenie ciągle zmieniającego polarność, w taki stale dodatni. Cztery diody przewodzą prąd do 5 A, a ich model to RFN5BM3S. Diody zostały obrócone o 45° na schemacie (opcja dostępna w nielicznych edytorach, a bardzo przydatna w tej aplikacji).
* C1 i C2 to kondensatory filtrujące, używane do jak największego wygładzenia napięcia. Dostarczają energię podczas ujemnych półfal, gdy mostek nie przewodzi prądu. Działają też jako akumulatory energii.
* R1 to obciążenie rezystancyjne o wartości 22 Ω.
Dyrektywy SPICE
Jak zauważono, schemat obwodu składa się nie tylko z komponentów elektronicznych, ale zawiera także inne elementy tekstowe, które stanowią dyrektywy SPICE. Te to specjalne polecenia używane w programach symulacyjnych opartych na języku SPICE. Jest to język symulacyjny szeroko stosowany do analizy zachowania obwodów elektronicznych. Dyrektywy SPICE umieszcza się w pliku wejściowym symulatora, dostarczają one konkretne instrukcje kontrolujące proces symulacji. Pozwalają one na określenie charakterystyk komponentów, warunków początkowych, pomiarów do wykonania oraz innych opcji symulacji. Istnieje wiele dyrektyw SPICE, które umożliwiają dostosowywanie i kontrolowanie symulacji zgodnie z konkretnymi potrzebami analizowanego obwodu. Wszystkie wykorzystane w schemacie zasilania prądem stałym są omówione poniżej:
* .model RFN5BM3S D(Is=1.8236E-9 N=1.3647 …: ta dyrektywa opisuje charakterystyki elektryczne diody RFN5BM3S, przyjmowanej jako zewnętrzny model. Modele można znaleźć w Internecie lub samodzielnie stworzyć, ale wymaga to wielu badań i analiz.
* .tran 200m: służy do określenia opcji symulacji przejściowej. Konkretnie instruuje symulator SPICE do wykonania analizy przejściowej przez dany czas. Szczegółowo mówiąc, wskazuje, że symulacja przejściowa powinna być przeprowadzona przez odcinek wynoszący 200 ms. Oznacza to, że symulator oblicza zachowanie obwodu w ciągu tego okresu. W trakcie analizy przejściowej symulator SPICE szacuje, jak obwód reaguje na zmiany elektroniczne w czasie, takie jak zmiany napięć lub prądów w obwodzie. Ten rodzaj weryfikacji jest przydatny do zrozumienia dynamicznego zachowania obwodu i badania stanu początkowego do momentu osiągnięcia stabilizacji. Ważne jest zauważenie, że dokładność zależy od kroku próbkowania, jeśli jest on określony w poleceniu analizy przejściowej. Na przykład, jeśli krok próbkowania wynosi 1 µs, symulator obliczy wartości obwodu co 1 µs przez okres 200 ms.
* .plot v(in),v(out),i(r1): ta dyrektywa SPICE służy do określenia zmiennych do wyświetlenia w wyjściu graficznym symulacji (zobacz wykresy wynikowe na rysunku 2). Konkretnie to polecenie instruuje symulator do tworzenia wykresów napięć i prądów będących przedmiotem zainteresowania podczas analizy obwodu. Szczegółowo mówiąc, instruuje symulator do generowania bilansów dotyczących v(in), czyli wykresu napięcia wejściowego obwodu w czasie, v(out) — wykresu napięcia wyjściowego obwodu w czasie, oraz i(r1) — wykresu prądu płynącego przez obciążenie: „R1”. Dyrektywa ta jest używana, aby graficznie wyświetlać dane ilości podczas analizy obwodu. Jednak odmienne ilości, takie jak napięcia, prądy, moce, stałe i inne obliczone wartości obwodu, można określić — wystarczy wymienić je, oddzielając przecinkami. Wynik generowany przez symulator pokaże bilanse danych ilości, umożliwiając obserwowanie zachowania obwodu w czasie oraz analizowanie rezultatów symulacji.
* .meas vin rms(v(in)): ta dyrektywa służy do pomiaru wartości skutecznej (RMS) napięcia wejściowego obwodu podczas symulacji. To polecenie pozwala obliczyć i wyświetlić wartość RMS napięcia wyjściowego. Rezultat tego pomiaru będzie dostępny w wynikach tekstowych symulacji (zobacz rysunek 3). Pomiar RMS reprezentuje wartość, która jest miarą efektywnej amplitudy danego sygnału. W tym konkretnym przypadku: „rms(v(in))” oblicza wartość RMS napięcia wejściowego: „v(in)” w obwodzie, jako że jest to napięcie zmiennoprądowe o przebiegu sinusoidalnym. Przeprowadzony pomiar zwraca wartość RMS wynoszącą około 230 V.
* .meas vout rms(v(out)): ta dyrektywa służy do pomiaru wartości RMS napięcia wyjściowego obwodu podczas symulacji. To polecenie pozwala obliczyć i wyświetlić wartość RMS jako wynik analizy. Przeprowadzony pomiar zwraca wartość RMS stanowiącą około 31 V.
* .meas CURR avg(i(r1)): służy do obliczania średniego prądu płynącego przez rezystor: „R1” podczas symulacji obwodu. To polecenie uzyskuje wartość średniego prądu jako wynik analizy. Przeprowadzony pomiar zwraca wartość RMS wynoszącą około 1,4 A.
Zaleca się dokładne zapoznanie z dostarczoną dokumentacją programu, naciskając klawisz F1. W całości można znaleźć opis wszystkich dyrektyw, wraz z ich składnią etc.
Symulacja
Aby rozpocząć symulację obwodu, wystarczy kliknąć zielony przycisk znajdujący się na górnym pasku narzędzi (RUN). Symulacja jest bardzo szybka i kończy się wyświetleniem wykresów i danych pomiarowych.
Powracając do bilansu wygenerowanego przez symulację, można zaobserwować trzy sygnały:
* Zielony sygnał V(IN), z podziałką po lewej stronie, reprezentuje sinusoidalne napięcie wejściowe. Jak widać, jego wartość szczytowa wynosi 325 V.
* Niebieski sygnał V(OUT), z podziałką po lewej stronie, reprezentuje ciągłe napięcie wyjściowe. Jego wartość stanowi około 31 V.
* Czerwony sygnał I(R1), z podziałką po prawej stronie, reprezentuje prąd płynący przez obciążenie. Jego wartość wynosi około 1,4 A.
Na wykresie widoczna jest siatka, którą można aktywować, naciskając CTRL + G. Minimalne i maksymalne wartości podziałek można zmieniać, klikając prawym przyciskiem myszy na samej podziałce. Użytkownik może również przybliżyć określony obszar, używając myszy, jak widać na rysunku 4. W pokazanym przybliżeniu uda się zauważyć obecność niewielkiego sygnału tętnień w sygnale wyjściowym, o wartości szczytowej około 1,2 V. Można zmniejszyć ten element zakłócający, zwiększając wartość kondensatora elektrolitycznego.
Podsumowanie
Dzięki QSPICE tworzenie i symulacja większości układów elektronicznych są dość proste. Wymagania dotyczące komputera muszą być spełnione — odpowiednia maszyna jest niezbędna do takiego oprogramowania. Dodatkowo, na komputerze musi być zainstalowana 64-bitowa wersja systemu Windows 10 lub Windows 11. Zalecany jest również wydajny procesor i ewentualnie karta graficzna. Masa zastosowań dyrektyw SPICE pozwala projektantom na jak najlepsze wykorzystanie oprogramowania do symulacji. Należy zwrócić uwagę, że napięcie wyjściowe sugerowanego źródła zasilania stałoprądowego w tym artykule zależy od rodzaju użytego transformatora.
Źródło: https://www.powerelectronicsnews.com/qspice-analysis-in-the-transient-domain-part-2/
Projekt prostego zasilacza prądu stałego
Prosty zasilacz prądu stałego jest niezbędny w laboratorium. Zapewnia stałe i niezawodne napięcie DC dla testowanych obwodów, gwarantując ich optymalne działanie. Może być używany do zasilania wielu urządzeń, m.in. radia, wzmacniaczy, małych systemów oświetleniowych i wbudowanych oraz obwodów mikrokontrolerów. Może być zbudowany przy użyciu łatwo dostępnych komponentów, takich jak transformator, mostek diodowy, kondensator i ewentualnie regulator napięcia. Transformator przekształca napięcie sieciowe w niższe, zmienne, mostek diodowy prostuje je w dodatnie pulsujące, a kondensator filtruje je w celu zmniejszenia tętnień. Za nim znajdować może się stabilizator napięcia, który, jak sama nazwa wskazuje, stabilizuje je na stałej wartości. Kombinacja tych elementów daje zasilacz DC, który może być używany do bezpiecznego i efektywnego zasilania urządzeń elektronicznych. Jego implementacja to z pewnością pierwszy krok dla miłośników elektroniki i stanowi doskonałe miejsce do rozpoczęcia bardziej złożonych projektów wymagających zasilaczy. Projekt potrzebuje z kolei dokładnej analizy schematu i, co ważniejsze, oceny pożądanych cech elektrycznych. Średnie wymagania budowanego zasilacza są następujące:
* Napięcie zasilania: około 30 V.
* Maksymalny prąd obciążenia: około 4 A.
* Częstotliwość transformatora: 50 Hz.
Schemat pokazany na rysunku 1, stworzony został przy użyciu edytora QSPICE, przedstawia bardzo proste rozwiązanie systemu zasilania DC. Nie jest ono stabilizowane i dostarcza jedynie napięcie stałe wynoszące około 30 V (bez obciążenia). Przyglądając się schematowi, trzeba zwrócić uwagę na kilka bardzo ważnych elementów opisowych i komponentów, które są częścią obwodu:
* V2 to źródło napięcia zmiennego z sieci zasilającej. Ma ono wartość szczytową 325 V i napięcie skuteczne 230 V. Jego częstotliwość wynosi 50 Hz.
* X1 to idealny transformator napięciowy, składający się z 480 zwojów w pierwotnym uzwojeniu i 50 zwojów we wtórnym. Zawiera też dwie wzajemnie sprzężone cewki. Można określić dodatkowe parametry pracy, ale na razie najlepiej zostawić je w ich wartości domyślnej.
* D1, D2, D3 i D4 to mostki diodowe, których celem jest przeistoczenie energii zmiennego prądu w energię quasi-stałą. Ich głównym zadaniem jest prostowanie sygnału zmiennego. A więc przekształcenie ciągle zmieniającego polarność, w taki stale dodatni. Cztery diody przewodzą prąd do 5 A, a ich model to RFN5BM3S. Diody zostały obrócone o 45° na schemacie (opcja dostępna w nielicznych edytorach, a bardzo przydatna w tej aplikacji).
* C1 i C2 to kondensatory filtrujące, używane do jak największego wygładzenia napięcia. Dostarczają energię podczas ujemnych półfal, gdy mostek nie przewodzi prądu. Działają też jako akumulatory energii.
* R1 to obciążenie rezystancyjne o wartości 22 Ω.
Dyrektywy SPICE
Jak zauważono, schemat obwodu składa się nie tylko z komponentów elektronicznych, ale zawiera także inne elementy tekstowe, które stanowią dyrektywy SPICE. Te to specjalne polecenia używane w programach symulacyjnych opartych na języku SPICE. Jest to język symulacyjny szeroko stosowany do analizy zachowania obwodów elektronicznych. Dyrektywy SPICE umieszcza się w pliku wejściowym symulatora, dostarczają one konkretne instrukcje kontrolujące proces symulacji. Pozwalają one na określenie charakterystyk komponentów, warunków początkowych, pomiarów do wykonania oraz innych opcji symulacji. Istnieje wiele dyrektyw SPICE, które umożliwiają dostosowywanie i kontrolowanie symulacji zgodnie z konkretnymi potrzebami analizowanego obwodu. Wszystkie wykorzystane w schemacie zasilania prądem stałym są omówione poniżej:
* .model RFN5BM3S D(Is=1.8236E-9 N=1.3647 …: ta dyrektywa opisuje charakterystyki elektryczne diody RFN5BM3S, przyjmowanej jako zewnętrzny model. Modele można znaleźć w Internecie lub samodzielnie stworzyć, ale wymaga to wielu badań i analiz.
* .tran 200m: służy do określenia opcji symulacji przejściowej. Konkretnie instruuje symulator SPICE do wykonania analizy przejściowej przez dany czas. Szczegółowo mówiąc, wskazuje, że symulacja przejściowa powinna być przeprowadzona przez odcinek wynoszący 200 ms. Oznacza to, że symulator oblicza zachowanie obwodu w ciągu tego okresu. W trakcie analizy przejściowej symulator SPICE szacuje, jak obwód reaguje na zmiany elektroniczne w czasie, takie jak zmiany napięć lub prądów w obwodzie. Ten rodzaj weryfikacji jest przydatny do zrozumienia dynamicznego zachowania obwodu i badania stanu początkowego do momentu osiągnięcia stabilizacji. Ważne jest zauważenie, że dokładność zależy od kroku próbkowania, jeśli jest on określony w poleceniu analizy przejściowej. Na przykład, jeśli krok próbkowania wynosi 1 µs, symulator obliczy wartości obwodu co 1 µs przez okres 200 ms.
* .plot v(in),v(out),i(r1): ta dyrektywa SPICE służy do określenia zmiennych do wyświetlenia w wyjściu graficznym symulacji (zobacz wykresy wynikowe na rysunku 2). Konkretnie to polecenie instruuje symulator do tworzenia wykresów napięć i prądów będących przedmiotem zainteresowania podczas analizy obwodu. Szczegółowo mówiąc, instruuje symulator do generowania bilansów dotyczących v(in), czyli wykresu napięcia wejściowego obwodu w czasie, v(out) — wykresu napięcia wyjściowego obwodu w czasie, oraz i(r1) — wykresu prądu płynącego przez obciążenie: „R1”. Dyrektywa ta jest używana, aby graficznie wyświetlać dane ilości podczas analizy obwodu. Jednak odmienne ilości, takie jak napięcia, prądy, moce, stałe i inne obliczone wartości obwodu, można określić — wystarczy wymienić je, oddzielając przecinkami. Wynik generowany przez symulator pokaże bilanse danych ilości, umożliwiając obserwowanie zachowania obwodu w czasie oraz analizowanie rezultatów symulacji.
* .meas vin rms(v(in)): ta dyrektywa służy do pomiaru wartości skutecznej (RMS) napięcia wejściowego obwodu podczas symulacji. To polecenie pozwala obliczyć i wyświetlić wartość RMS napięcia wyjściowego. Rezultat tego pomiaru będzie dostępny w wynikach tekstowych symulacji (zobacz rysunek 3). Pomiar RMS reprezentuje wartość, która jest miarą efektywnej amplitudy danego sygnału. W tym konkretnym przypadku: „rms(v(in))” oblicza wartość RMS napięcia wejściowego: „v(in)” w obwodzie, jako że jest to napięcie zmiennoprądowe o przebiegu sinusoidalnym. Przeprowadzony pomiar zwraca wartość RMS wynoszącą około 230 V.
* .meas vout rms(v(out)): ta dyrektywa służy do pomiaru wartości RMS napięcia wyjściowego obwodu podczas symulacji. To polecenie pozwala obliczyć i wyświetlić wartość RMS jako wynik analizy. Przeprowadzony pomiar zwraca wartość RMS stanowiącą około 31 V.
* .meas CURR avg(i(r1)): służy do obliczania średniego prądu płynącego przez rezystor: „R1” podczas symulacji obwodu. To polecenie uzyskuje wartość średniego prądu jako wynik analizy. Przeprowadzony pomiar zwraca wartość RMS wynoszącą około 1,4 A.
Zaleca się dokładne zapoznanie z dostarczoną dokumentacją programu, naciskając klawisz F1. W całości można znaleźć opis wszystkich dyrektyw, wraz z ich składnią etc.
Symulacja
Aby rozpocząć symulację obwodu, wystarczy kliknąć zielony przycisk znajdujący się na górnym pasku narzędzi (RUN). Symulacja jest bardzo szybka i kończy się wyświetleniem wykresów i danych pomiarowych.
Powracając do bilansu wygenerowanego przez symulację, można zaobserwować trzy sygnały:
* Zielony sygnał V(IN), z podziałką po lewej stronie, reprezentuje sinusoidalne napięcie wejściowe. Jak widać, jego wartość szczytowa wynosi 325 V.
* Niebieski sygnał V(OUT), z podziałką po lewej stronie, reprezentuje ciągłe napięcie wyjściowe. Jego wartość stanowi około 31 V.
* Czerwony sygnał I(R1), z podziałką po prawej stronie, reprezentuje prąd płynący przez obciążenie. Jego wartość wynosi około 1,4 A.
Na wykresie widoczna jest siatka, którą można aktywować, naciskając CTRL + G. Minimalne i maksymalne wartości podziałek można zmieniać, klikając prawym przyciskiem myszy na samej podziałce. Użytkownik może również przybliżyć określony obszar, używając myszy, jak widać na rysunku 4. W pokazanym przybliżeniu uda się zauważyć obecność niewielkiego sygnału tętnień w sygnale wyjściowym, o wartości szczytowej około 1,2 V. Można zmniejszyć ten element zakłócający, zwiększając wartość kondensatora elektrolitycznego.
Podsumowanie
Dzięki QSPICE tworzenie i symulacja większości układów elektronicznych są dość proste. Wymagania dotyczące komputera muszą być spełnione — odpowiednia maszyna jest niezbędna do takiego oprogramowania. Dodatkowo, na komputerze musi być zainstalowana 64-bitowa wersja systemu Windows 10 lub Windows 11. Zalecany jest również wydajny procesor i ewentualnie karta graficzna. Masa zastosowań dyrektyw SPICE pozwala projektantom na jak najlepsze wykorzystanie oprogramowania do symulacji. Należy zwrócić uwagę, że napięcie wyjściowe sugerowanego źródła zasilania stałoprądowego w tym artykule zależy od rodzaju użytego transformatora.
Źródło: https://www.powerelectronicsnews.com/qspice-analysis-in-the-transient-domain-part-2/
Fajne? Ranking DIY
