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 4

ghost666 10 Paź 2023 01:02 945 0
  • W poprzednim artykule przyjrzeliśmy się bliżej źródłom napięcia i prądu, jakie dostępne są w QSPICE. Tym razem kontynuujemy analizowanie działania QSPICE, opisując inne rodzaje źródeł zasilania, w tym niektóre bardzo złożone i niezastąpione.

    Generatory omówione w poprzednim materiale są dość proste i dostarczają względnie stałych poziomów napięcia i prądu w czasie, czasami podążając za określonymi, dobrze zaprogramowanymi wzorcami. W niniejszym artykule zamiast tych, będziemy analizować działanie bardziej zaawansowanych źródeł zasilania, które potrafią generować dostosowane poziomy napięcia i prądu do warunków w układzie. Często projektanci potrzebują sygnału, który nie jest stały i charakteryzuje się niepewnym, nierzadko nawet losowym zachowaniem.

    Jak można zauważyć na rysunku 1, źródła zasilania, które omówimy w tej części, to:

    — źródło napięcia zależne od napięcia,
    — źródło prądu zależne od napięcia,
    — źródło napięcia zależne od prądu,
    — źródło prądu zależne od prądu,
    — behawioralne źródło napięcia,
    — sygnał z pliku.

    Są to często generatory o dużym stopniu programowalności, które pozwalają na dostosowywanie poziomu sygnału zgodnie z wymaganiami projektu.

    QSPICE: Nowy symulator układów elektronicznych - część 4
    Rys.1. Programowalne generatory napięcia i prądu.


    Zależny od napięcia generator napięcia

    Ten typ działa według tej samej filozofii, co inne generatory zależne, dlatego omówimy tylko ten rodzaj urządzenia. Mierzy on napięcie między węzłami wejściowymi i wytwarza je na węzłach wyjściowych. To ostatnie jest definiowane przez parametr: „wzmocnienia”. Przykład pokazany na rysunku 2 wyjaśnia wszelkie wątpliwości. Tu generator V1 o wartości 5 V zasila ten E3 o: „wzmocnieniu” 15. Wyjście tego generatora wynosi zatem 5*15=75 V. Jak widać, przykładowy schemat zawiera stały generator napięcia stałego (V1) i zależny (E1). Ten ostatni powoduje napięcie 15-krotnie większe niż V1, w dowolnej konfiguracji pracy. Jest to zatem komponent do generowania napięcia w zależności od innego napięcia lub prądu w obwodzie.

    QSPICE: Nowy symulator układów elektronicznych - część 4
    Rys.2. Zachowanie zależnego od napięcia źródła napięciowego.


    Zachowanie generatora napięcia

    Warto podkreślić, że ten rodzaj źródła działa według tej samej zasady, co inne źródła prądu w jednakiej klasie, dlatego ograniczymy się do zilustrowania tego urządzenia. Behawioralne źródło napięcia to bardzo ważny komponent, który, w przeciwieństwie do tradycyjnych, pozwala na generowanie napięcia na podstawie konkretnej formuły matematycznej lub relacji określonej przez użytkownika. Ta relacja matematyczna może zawierać niestandardowe zmienne, funkcje i parametry, co zapewnia dużą elastyczność w wyrażaniu generowanych napięć. Dzięki tej funkcji taki generator napięcia (lub prądu) jest powszechnie używany do modelowania złożonych elementów elektronicznych i dynamicznych systemów, takich jak wzmacniacze operacyjne, generatory sygnałów, obwody regulacji, sensory i wiele innych. Zdolność do tworzenia niestandardowych relacji między napięciami wejściowymi i wyjściowymi oferuje inżynierom elektronikom potężne narzędzie do analizy i optymalizacji układów, umożliwiając dokładne i przewidywalne symulacje reakcji systemu na różne warunki pracy. Innymi słowy, napięcie wyjściowe tego rodzaju generatora jest wynikiem funkcji matematycznej na zmiennej niezależnej. Łatwo jest zatem wyobrazić sobie jego szeroki zakres zastosowań, który ułatwia charakteryzację sensora lub innego urządzenia. Ponieważ taki generator jest jednym z najbardziej przydatnych i istotnych źródeł w układzie, przyjrzyjmy się kilku przykładom, aby w pełni zrozumieć jego działanie i praktyczne wykorzystanie.

    Behawioralne źródło napięcia: źródło sinusoidalne

    Ten komponent można zużytkować do stworzenia generatora napięcia sinusoidalnego, choć w tym przypadku można bezpośrednio użyć bardziej odpowiedniego, dostępnego w oprogramowaniu źródła. Na rysunku 3 zaprezentowano prosty schemat obwodu, składający się z behawioralnego źródła napięcia oraz rezystancyjnego obciążenia o wartości 1 kΩ. Pierwszy atrybut komponentu zawiera formułę generowania sygnału sinusoidalnego o częstotliwości 50 Hz i zerowym napięciu szczytowym 1 V. Na tym samym rysunku oscylogram przedstawia sygnał sinusoidalny na węźle wyjściowym. Dyrektywa: „.tran 0,1” pozwala na obserwację tego napięcia przez okres 100 ms, podczas którego pięć kolejnych fal sinusoidalnych podąża za sobą. W poniższym zestawieniu znajdują się przykłady wzorów matematycznych generujących sygnały sinusoidalne o różnych cechach:

    V=sin(2*PI*50*time): fala sinusoidalna o częstotliwości 50 Hz z zerowym napięciem szczytowym 1 V,
    V=sin(2*PI*50*time)*325: fala sinusoidalna o częstotliwości 50 Hz z zerowym napięciem szczytowym 325 V,
    V=sin(2*PI*80*time)*5: fala sinusoidalna o częstotliwości 80 Hz z zerowym napięciem szczytowym 5 V.

    Jak widać, w formule można określić maksymalną częstotliwość i napięcie, aby uzyskać pożądaną falę sinusoidalną. Ponadto rzędna (oś x) jest obsługiwana przez zmienną „time”, która opisuje czas symulacji, wyrażony w sekundach.

    QSPICE: Nowy symulator układów elektronicznych - część 4
    Rys.3. Generator sinusoidalny zrealizowany za pomocą behawioralnego źródła napięciowego.


    Źródło przebiegu piłokształtnego

    Zmieniając jedynie formułę matematyczną, można generować sygnał trójkątny o zmiennej częstotliwości i amplitudzie, zaadaptowany do własnych potrzeb. Możliwe jest dostosowanie wzoru generatora, aby uzyskać pożądaną falę. Na przykład, rysunek 4 przedstawia typową falę trójkątną o okresie 10 ms i amplitudzie 1 V. Formuła charakteryzująca sygnał trójkątny to pierwsza z listy poniżej. To samo opisuje inne wzory generujące sygnał trójkątny o różnych cechach:

    V=1*abs(2*(time/10m-floor(1/2+time/10m))): sygnał trójkątny o okresie 10 ms (100 Hz) i napięciu 1 V,
    V=12*abs(2*(time/50µ-floor(1/2+time/50µ))): sygnał trójkątny o okresie 50 µs (20 kHz) i napięciu 12 V.

    QSPICE: Nowy symulator układów elektronicznych - część 4
    Rys.4. Generator przebiegu piłokształtnego zrealizowany za pomocą źródła behawioralnego.


    Behawioralne źródło napięcia: czujnik temperatury

    To ujęcie jest dość złożone, ale okazuje się nadzwyczajnie przydatne. Konieczne jest zasymulowanie np. czujnika temperatury, który w ciągu dnia zmienia odczyt zgodnie z termiką otoczenia z jedną próbką co godzinę. Jest to przykładowy scenariusz teoretyczny przeprowadzony z wykorzystaniem sensora LM35, który zwraca napięcie analogowe 10 mV na każdy stopień Celsjusza. Co oznacza, że odczytując napięcie, można łatwo obliczyć temperaturę. Pomiary dokonane przez czujnik o każdej godzinie są następujące:

    Godzina01234567891011
    LM350.180.1820.1750.170.1820.190.1940.1960.2070.2180.2270.245
    Godzina121314151617181920212223
    LM350.2710.290.2960.310.3050.3020.260.2420.2290.2120.1960.184


    Wykresy na rysunku 5 prezentują krzywe napięcia zwracane przez czujnik LM35 w zależności od temperatury oraz funkcję interpolującą punkty. Na czerwono przedstawione są rzeczywiste pomiary napięcia, podczas gdy na niebiesko jest funkcja, która dobrze odzwierciedla matematyczny trend sygnału w dziedzinie czasu:

    QSPICE: Nowy symulator układów elektronicznych - część 4


    Ten wielomian zostanie wstawiony jako baza danych do generatora napięcia w QSPICE.

    QSPICE: Nowy symulator układów elektronicznych - część 4
    Rys.5. Wykres rzeczywistych pomiarów i wielomianu interpolującego.


    W związku z tym, tworząc schemat obwodu na rysunku 6, możemy obserwować rezystancyjne obciążenie 1 kΩ i generator zachowań, do którego musi zostać wprowadzona następująca formuła:

    V=0.17778+1.4357e-5*time^4+1.9306e-11*time^8-8.56e-7*time^5

    Jak widać, „x” zostało zastąpione zmienną: „time”, ponieważ wykres znajduje się w dziedzinie czasu i przedstawia oś x. W schemacie mamy następujące elementy:

    * Generator B1, który dostarcza napięcie obliczone według powyższej formuły, w dziedzinie czasu (niezależna zmienna to: „time”);
    * Obciążenie rezystancyjne R1 równe 1 kΩ.

    Symulacja obejmuje obserwację pierwszych 23 sekund, od 0 do 23 (dyrektywa: „.tran 23”). Dla uproszczenia godziny traktowane są jak sekundy. Na wykresie jest pokazane napięcie w węźle: „Signal” przy użyciu dyrektywy: „.plot v(Signal)”.
    Dzięki tej technice uda się stworzyć generator zdolny do dostarczania dowolnego rodzaju sygnału, który może być przedstawiony za pomocą równań matematycznych. Zasięg zastosowań jest więc nieskończony. Niemniej, jeśli potrzebna jest dokładna sekwencja zarejestrowana przez czujnik temperatury, można skorzystać z techniki pliku PWL, wyjaśnionej w następnym rozdziale.

    QSPICE: Nowy symulator układów elektronicznych - część 4
    Rys.6. Schemat obwodu dla behawioralnego źródła napięcia przedstawiający zmierzony trend temperatury w otoczeniu w ciągu 24 godzin.


    Podsumowanie

    W tej odsłonie kursu o QSPICE eksplorowaliśmy dodatkowe typy źródeł napięcia i prądu, z których część jest niezwykle przydatna i zaawansowana. Pokazano kilka kategorii źródeł, z unikalnymi cechami i konkretnymi możliwościami. „Źródło napięcia zależne od napięcia” jest generatorem, który wytwarza napięcie wyjściowe zależne od napięcia wejściowego, poprzez parametr wzmocnienia. Ten komponent bywa pożądany do generowania niestandardowych napięć w zależności od innych napięć lub prądów w obwodzie. „Behawioralne źródło napięcia” to bardzo wszechstronny generator. Pozwala on tworzyć napięcia na podstawie określonych wzorów matematycznych, co daje szeroki zakres możliwości. Ten rodzaj jest niezbędny do modelowania złożonych komponentów elektronicznych i dynamicznych systemów. Zaprezentowano, jak można wykorzystać go do generowania przebiegu sinusoidalnego i piłokształtnego, wraz z reprezentacją napięcia dostarczanego przez czujnik temperatury.

    Te przykłady ilustrują obszerne zastosowanie i moc tych komponentów w projektach elektronicznych. Dzięki nim projektanci dysponują potężnymi i wszechstronnymi narzędziami do tworzenia niestandardowych sygnałów i modelowania złożonych elementów elektronicznych. Te technologie przyczyniają się do budowania modeli zaawansowanych obwodów elektronicznych i optymalizacji wydajności systemów.

    Źródło: https://www.powerelectronicsnews.com/qspice-the-various-types-of-power-sources-part-4/

    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