logo elektroda
logo elektroda
X
logo elektroda
Adblock/uBlockOrigin/AdGuard mogą powodować znikanie niektórych postów z powodu nowej reguły.

QSPICE: Nowy symulator układów elektronicznych - część 3

ghost666 09 Paź 2023 13:44 819 0
  • W pierwszym i drugim artykule z tego cyklu zapoznawaliśmy się z nowym oprogramowaniem SPICE. Pokazano przy tej okazji, w jaki sposób rysowane są schematy, tymczasem teraz przyjrzymy się części symulacji elektronicznych, jakie oferuje QSPICE. Oprogramowanie to zapewnia szereg opcji modelowania i testowania odmiennych źródeł energii. W tym materiale zostaną omówione rozmaite rodzaje źródeł energii dostępne w QSPICE oraz sposób ich wykorzystania w analizie obwodów. Chociaż generatory energii w symulatorach są idealne i doskonałe, istnieje możliwość ręcznego dodania pewnych rzeczywistych zachowań różnych rodzajów.

    QSPICE to nieograniczony, dostępny bezpłatnie, ciągle wspierany i rozwijany zestaw narzędzi, który może być wykorzystywany we wszystkich projektach analogowych. Konieczne jest zawarcie co najmniej jednego lub więcej źródła energii w schemacie połączeń, aby przeprowadzić poprawną symulację. W języku SPICE generatory napięcia i prądu dostarczają sygnałów napięcia lub prądu w ramach symulowanego obwodu. Te generatory są powszechnie używane do modelowania źródeł energii obwodu lub innych sygnałów wejściowych. Ze względu na charakter oprogramowania są one idealne, tj. pozbawione efektów i wad elementów pasożytniczych, ale dzięki kilku sztuczkom ich działanie może być bardzo podobne do rzeczywistości.

    Jak pokazano na rysunku 1, QSPICE udostępnia projektantom wiele źródeł energii. Kilka z najważniejszych z nich zostało wymienionych poniżej:

    Źródła napięcia:
    * Behawioralne źródło napięcia.
    * Behawioralne źródło prądu.
    * Źródło napięcia zależne od napięcia.
    * Źródło prądu zależne od prądu.
    * Źródło napięcia zależne od prądu.
    Źródła prądu:
    * Niezależne źródło napięcia.
    * Niezależne, impulsowe źródło napięcia.
    * Niezależne źródło napięcia, przedstawione jako sygnał sinusoidalny.
    * Niezależne źródło napięcia, przedstawione jako liniowy przebieg w czasie.
    * Niezależne źródło napięcia, przedstawione jako funkcja wykładnicza.

    W symulatorze istnieje wiele innych metod generowania energii. Jednak ważne jest zaznaczenie, że wyżej wymienione podstawowe komponenty są szczególnie istotne. W dalszej części artykułu zostaną zaprezentowane niektóre z tych generatorów za pomocą prostych schematów zastosowania oraz wykresów napięcia lub prądu. Przykłady te pomogą w klarowny i zwięzły sposób zilustrować działanie i charakterystyki tych generatorów w kontekście symulacji obwodów.

    QSPICE: Nowy symulator układów elektronicznych - część 3
    Rys.1. Różne rodzaje źródeł napięcia i prądu dostępne w QSPICE.


    Niezależne źródła napięcia

    Omówienie generatorów energii w tym kursie rozpoczyna się od najprostszych, czyli: „Niezależnych źródeł napięcia”. Jak sama nazwa wskazuje, są to komponenty generujące stałe lub zmienne napięcie w obwodzie. Te źródła napięcia nie zależą od innych wielkości w obwodzie, są całkowicie niezależne — stąd ich nazwa. To projektant decyduje o statycznych i dynamicznych zachowaniach elementów. W symulacji elektronicznej projektanci mogą korzystać z bardzo wysokich źródeł napięcia i prądu bez obawy o swoje życie lub ryzyko uszkodzenia jakiegoś elementu elektronicznego. Mogą na przykład implementować baterie o potencjale elektrycznym rzędu tysięcy woltów lub generatory dostarczające miliony amperów bez żadnych problemów. Ta funkcja pozwala im badać skrajne scenariusze i warunki, aby ocenić zachowanie obwodu w sytuacjach przy granicach wyobraźni. Symulacja zapewnia kontrolowane środowisko, w którym można testować reakcję elementów i analizować wydajność obwodu przy wysokim napięciu i prądzie, bez obaw o rzeczywiste ryzyko związane z takimi poziomami. Daje to cenną okazję do optymalizacji projektu, gwarantując maksymalną niezawodność i bezpieczeństwo systemu elektronicznego w rzeczywistych warunkach eksploatacji.

    W oprogramowaniu QSPICE klasa generatorów energii obejmuje następujące komponenty:

    * Niezależne źródło napięcia.
    * Niezależne źródło napięcia, przedstawione jako puls.
    * Niezależne źródło napięcia, przedstawione jako sygnał sinusoidalny.
    * Niezależne źródło napięcia, przedstawione jako liniowy przebieg kawałkowy.
    * Niezależne źródło napięcia, przedstawione jako funkcja wykładnicza.

    Na rysunku 2 zobrazowano proste schematy zastosowania i takie źródła energii otwierają nieskończone możliwości działania i rozwiązań. Schemat zawiera pięć różnych systemów zasilających obciążenie rezystancyjne o rezystancji 470 ohm.

    Dyrektywy SPICE dotyczące jego działania w dziedzinie czasu są następujące:

    .tran 2: nakazuje wykonanie symulacji przejściowej obwodu przez okres 2 jednostek (np. sekundy). W trakcie symulator będzie obliczał zachowanie obwodu w czasie, uwzględniając zmiany napięć i prądów.
    .plot v(out1): nakazuje wygenerowanie wykresu napięcia na punkcie wyjściowym „out1” obwodu podczas symulacji przejściowej. Wykres pokaże, jak zmienia się napięcie w tym punkcie w czasie.
    .plot v(out2): nakazuje wygenerowanie wykresu napięcia na punkcie wyjściowym „out2” obwodu podczas symulacji przejściowej. Wykres pokaże, jak zmienia się napięcie w tym punkcie w czasie.
    .plot v(out3): nakazuje wygenerowanie wykresu napięcia na punkcie wyjściowym „out3” obwodu podczas symulacji przejściowej. Wykres pokaże, jak zmienia się napięcie w tym punkcie w czasie.
    .plot v(out4): nakazuje wygenerowanie wykresu napięcia na punkcie wyjściowym „out4” obwodu podczas symulacji przejściowej. Wykres pokaże, jak zmienia się napięcie w tym punkcie w czasie.
    .plot v(out5): nakazuje wygenerowanie wykresu napięcia na punkcie wyjściowym „out5” obwodu podczas symulacji przejściowej. Wykres pokaże, jak zmienia się napięcie w tym punkcie w czasie.

    Pięć niezależnych oscylogramów można uzyskać, korzystając z odmiennych dyrektyw: „plot” w różnych wierszach. Dzięki stosowaniu następującej dyrektywy kumulacyjnej, podobnie jak w przypadku poprzedniej, oprogramowanie generuje pięć oscylogramów, wszystkie na tym samym wykresie:

    .plot v(out1), v(out2), v(out3), v(out4), v(out5)

    QSPICE: Nowy symulator układów elektronicznych - część 3
    Rysunek 2: Niezależne źródła napięcia.


    Jak widać, obciążenie rezystancyjne jest zasilane różnymi źródłami napięcia, co skutkuje oscylogramami pokazanymi na rysunku 3. Przeanalizujmy dokładniej rozmaite rodzaje źródeł zasilania.

    Pierwszy fragment schematu obwodu zawiera generator prądu stałego o wartości 12 V (V1), co tworzy w NETLIST następującą dyrektywę:

    V1 out1 0 12V

    Definiuje źródło napięcia stałego o nazwie: „V1”, podłączone między węzłem: „out1” a węzłem referencyjnym „0.” Wartość napięcia źródła wynosi 12 woltów. Numer: „0” reprezentuje węzeł referencyjny lub masę obwodu, a: „out1” inny węzeł w obwodzie, do którego podłączone jest źródło napięcia. Sygnał widoczny na oscylogramie jest mierzony na węźle: „out1”.

    Drugi fragment schematu obwodu zawiera generator impulsów, który tworzy w NETLIST następującą dyrektywę, odpowiadającą sygnałowi PWM o wypełnieniu 25%:

    V2 out2 0 PULSE 0 5 1 0 0 25mS 100mS

    Definiuje źródło napięcia pulsującego: „V2”, podłączone między węzłem: „out2” a węzłem referencyjnym „0.” Jego parametry są następujące:

    „0” — reprezentuje początkową wartość napięcia źródła,
    „5” — reprezentuje maksymalną wartość napięcia źródła,
    „1” — reprezentuje czas opóźnienia przed osiągnięciem maksymalnej wartości (5 V),
    „0” to czas narastania (rise time),
    „0” to czas opadania (fall time),
    „25mS” to czas, przez który sygnał pozostaje w stanie włączonym,
    „100mS” — reprezentuje okres całkowity dla tego przebiegu.

    To źródło napięcia często symuluje impulsywne sygnały obwodu lub falowane. Sygnał widoczny na oscylogramie jest mierzony na węźle: „out2”.

    Trzeci fragment schematu obwodu zawiera generator sinusoidalny, który tworzy w NETLIST następującą dyrektywę:

    V3 out3 0 SIN 0 7 12

    Definiuje źródło napięcia sinusoidalnego o nazwie: „V3”, podłączone między węzłem: „out3” a węzłem referencyjnym: „0.” Jego parametry są następujące:

    „0” — reprezentuje składową stałą napięcia sinusoidalnego, czyli składową stałą przebiegu,
    „7” — reprezentuje amplitudę napięcia sinusoidalnego,
    „12” — reprezentuje częstotliwość napięcia sinusoidalnego w hercach (Hz), co oznacza liczbę cykli wykonanych przez falę w ciągu jednej sekundy.

    W praktyce tworzy źródło napięcia sinusoidalnego o składowej stałej na poziomie 0 V, amplitudzie na poziomie 7 V i częstotliwości wynoszącej 12 Hz. To źródło często symuluje sinusoidalne sygnały zmiennego napięcia w obwodzie, takie jak fale dźwiękowe bądź sygnały sieci zasilania o napięciu 230 V lub 110 V. Sygnał widoczny na oscylogramie jest mierzony na węźle: „out3”.

    Czwarty fragment schematu obwodu zawiera niestandardowy generator, który tworzy w NETLIST następującą dyrektywę:

    V4 out4 0 PWL 0.4 5 0.9 4 1.5 7

    Ogólna jej składnia to:

    Vnnn N+ N- PWL(t1 v1 t2 v2 t3 v3…)

    Parametry dyrektywy: „PWL” określają sekwencję par czas-wartość napięcia, które definiują kształt źródła napięcia. Ten rodzaj źródła napięcia bądź prądu jest często używany do reprezentowania nieliniowych przebiegów lub złożonych sygnałów, które wymagają opisania różnych wartości napięcia w określonych interwałach czasowych w ramach symulacji obwodu.

    Na koniec, piąty fragment schematu obwodu zawiera niestandardowy generator, który tworzy w NETLIST następującą dyrektywę:

    V5 out5 0 EXP 5 8 100m 1 50m 1

    Określane jest tu źródło napięcia typu: „EXP” (impuls wykładniczy), podłączone między węzłem: „out5” a węzłem referencyjnym „0” (masa). Jego parametry to:

    Napięcie początkowe(V): Niski poziom wartości napięcia,
    Napięcie impulsu(V): Maksymalna wartość poziomu napięcia impulsu,
    Opóźnienie narastania(V): Czas opóźnienia narastania przebiegu,
    Tau narastania(s): Stała czasowa narastania napięcia,
    Opóźnienie opadania(s): Czas opóźnienia do opadania napięcia,
    Tau opadania(s): Stała czasowa opadania przebiegu.

    QSPICE: Nowy symulator układów elektronicznych - część 3
    Rys.3. Oscylogramy napięcia na obciążeniu różnią się w zależności od rodzaju zastosowanego napięcia.


    Podsumowanie

    QSPICE oferuje szeroki zakres opcji do modelowania i analizy odmiennych rodzajów źródeł energii w kontekście analizy obwodów elektronicznych. Od prostych źródeł prądu stałego do sinusoidalnych, impulsowych lub z szumem, QSPICE umożliwia inżynierom elektronikom ocenę zachowania obwodów w różnych warunkach i scenariuszach. Dzięki wykorzystaniu symulatora SPICE można zbadać interakcje między źródłami energii a komponentami obwodu, w tym efekty przejściowe i odpowiedzi częstotliwościowe. Wybór i konfiguracja źródeł energii są kluczowe w procesie projektowania i optymalizacji obwodów elektronicznych, a QSPICE okazuje się nieocenionym narzędziem w tym procesie. Źródła napięcia działają na tej samej zasadzie co generatory prądu. W kolejnej części zostaną przeanalizowane inne rodzaje generatorów mocy o bardzo istotnych i przydatnych cechach.

    Źródło: https://www.powerelectronicsnews.com/qspice-the-various-types-of-power-sources-part-3/

    Fajne? Ranking DIY
    O autorze
    ghost666
    Tłumacz Redaktor
    Offline 
    Fizyk z wykształcenia. Po zrobieniu doktoratu i dwóch latach pracy na uczelni, przeszedł do sektora prywatnego, gdzie zajmuje się projektowaniem urządzeń elektronicznych i programowaniem. Od 2003 roku na forum Elektroda.pl, od 2008 roku członek zespołu redakcyjnego.
    https://twitter.com/Moonstreet_Labs
    ghost666 napisał 11960 postów o ocenie 10197, pomógł 157 razy. Mieszka w mieście Warszawa. Jest z nami od 2003 roku.
REKLAMA