Дж. Кеоун - OrCAD PSpice. Анализ электрических цепей

Рис. 13.11. ВАХ модели нелинейного резистора при напряжении переключения в 8 В

Использование ключа, управляемого током, для моделирования нелинейного резистора

Как вариант, дуальный ключу, управляемому напряжением, может использоваться ключ, управляемый током. В этом случае включение ключа происходит при определенном значении тока в какой-либо ветви схемы. На рис. 13.12 приведена схема, в которой имеется источник тока, подключенный к двум ветвям, каждая из которых содержит резистор сопротивлением 100 Ом. Правая ветвь содержит, кроме того, ключ W. Пока ключ не замкнут, сопротивление этой ветви очень высоко ROFF=1 МОм. Когда ток в левой ветви достигает установленного значения (тока включения) ION=10 мА, ключ в правой ветви замыкается. Значение ION по умолчанию принимается равным нулю. После достижения током значения в 10 мА, сопротивление правой ветви становится равным 101 Ом, поскольку RON=1 Ом. Ключи, управляемые током, должны иметь имена, начинающиеся с W. В команде .MODEL должна использоваться запись ISWITCH. Входной файл:

Current-Controlled Switch

i 0 1 4 0mA

VO 1 1A 0V

Ri 1A 0 100

RL 2 0 100

W 1 2 V0 W1

.MODEL W1 ISWITCH(ION=10mA RON=1 ROFF=1E6)

.DC i 0 4 0mA 1mA

.PROBE

.END

Рис. 13.12. Модель нелинейного сопротивления с ключом, управляемым током

Выполните анализ и получите график зависимости i(RL) от тока i. Поскольку изменение сопротивления происходит в схеме плавно, график тока через RL не имеет постоянного наклона, пока ток существенно не превышает 15 мА. Для токов в этой ветви, больших чем 15 мА, сопротивление ветви равно 101 Ом. График приведен на рис. 13.13.

Рис. 13.13. Характеристика модели нелинейного сопротивления с ключом, управляемым током

Обзор новых команд PSpice, применяемых в данной главе

S[имя] <+узел ключа> <-узел ключа> <+узел управления> <-узел управления> <имя модели>

Например, запись

S 2 3 1 0 S1

показывает, что управляемый напряжением ключ s включен между узлами 2 и 3. По умолчанию ключ обычно разомкнут, но когда напряжение управления (между узлами 1 и 0) достигает некоторого значения, ключ замыкается. Команда S требует включения во входной файл директивы .MODEL, чтобы определить сопротивления во включенном и выключенном состояниях и значение управляющего напряжения. В нашем примере модель идентифицируется как S1. Запись идентификации всегда должна начинаться с символа S. Полное описание команды приведено в приложении D.

W[имя] <+узел> <-узел> <имя источника напряжения> <модель>

Например, запись

W 1 2 V0 W1

показывает, что ключ, управляемый током, включен между узлами 1 и 2. По умолчанию ключ обычно разомкнут, но когда ток управления, протекающий через ветвь, содержащую источник нулевого напряжения V0 достигает установленного значения, ключ замыкается. Команда W также требует включения во входной файл директивы .MODEL, чтобы определить сопротивления во включенном и выключенном состояниях и значение управляющего тока. В директиве .MODEL имя модели должно начинаться с символа W. Полное описание команды приведено в приложении D.

Новая директива, начинающаяся с точки

.MODEL <имя> <тип> ([<имя параметра> = <значение>]*)

Например, запись

.MODEL KT core

вводит модель для связанных катушек индуктивности, имя должно начинаться с K. Если команда также содержит слово core, то используется нелинейная модель. Кривая В(Н) для этого нелинейного устройства будет подобна показанной на рис. 13.5.

Задачи

13.1. При обсуждении модели нелинейного резистора мы указали, что нелинейными являются фактически не резисторы, а зависимые источники. Измените схему, показанную на рис. 13.1, чтобы получить такое напряжение V(3), при котором мощность источника V увеличилась бы приблизительно в 1.5 раза.

13.2. Для схемы, показанной на рис. 13.14, L1=25 мГн, С1=C2=50 нФ, Rs=1 Ом, RL=1 кОм и M=1 мГн. Команда ввода для трансформатора имеет форму:

K1 L1 L2 value

где value — значение коэффициента связи. Создайте входной файл, позволяющий получить график напряжения на RL вблизи резонансной частоты. Получите из графика коэффициент связи и сравните его с критическим значением (установите, больше он, меньше или равен критическому значению). Проверьте ваш ответ.

Рис. 13.14

13.3. Каково значение критического коэффициента связи в задаче 13.2? Выполните анализ, чтобы показать, что при критическом значении коэффициента связи обеспечивается максимальная передача мощности в RL.

13.4. В схеме, показанной на рис. 13.15, используется трансформатор с ферромагнитным магнитопроводом (модель по умолчанию). Катушка индуктивности L1 содержит 150 витков, в то время как вторичная катушка имеет 300 витков. Выполните анализ при частоте f=4,5 кГц, чтобы определить напряжение и ток резистора нагрузки.

Рис. 13.15

13.5. Используйте рисунок к задаче 13.4, заменив в нем модель трансформатора двумя катушками индуктивности L1 и L2. Чтобы получить приблизительно те же результаты, что и прежде, задайте L1=5 мГн и L2=10 мГн. Проведите анализ и распечатайте переменные составляющие напряжений V(2) и V(4). Вы должны получить V(2)=0,978 В и V(4)=1,367 В. Выберите другие значения для L1 и L2 чтобы получить результаты, близкие к полученным в задаче 13.4. Выполните анализ несколько раз, использовав выбранные значения.

13.6. Ключ, управляемый напряжением, показан на рис. 13.9. Выберите параметры так, чтобы ключ имел сопротивление 1 кОм в разомкнутом и 1 Ом в замкнутом состояниях. Задайте Ri= 50 Ом и RL=100 Ом. Сначала ключ должен быть замкнут. Он должен разомкнуться, когда входное напряжение v достигнет 5 В. Создайте входной файл, проведите анализ и проверьте ваши результаты по графику, полученному в Probe. 

13.7. Вернувшись к рис. 13.9, используйте значения сопротивлений, приведенные на рисунке. Ключ должен иметь сопротивление в 1 кОм в разомкнутом и 1 Ом в замкнутом состояниях. Сначала ключ должен быть замкнут. Он должен разомкнуться, когда напряжение на Ri достигнет 0,25 В. Создайте входной файл, проведите анализ и проверьте ваши результаты по графику, полученному в Probe. Обратите внимание, что в команде ввода ключа порядок следования узлов должен обеспечить правильный анализ. Выполните анализ, чтобы определить соответствующий порядок этих узлов. Вы можете быть удивлены. По графикам, полученным в Probe, убедитесь, что ток через Ri становится значительным, когда входное напряжение v превышает 0,55 В. 

14. Программа Capture

В предыдущих версиях PSpice от MicroSim Corporation для схемотехнического анализа применялся метод, при котором схема вводилась с чертежной доски или с экрана компьютера. Это давало возможность проектировщику схемы обойтись без создания схемного файла PSpice — программа создавала его автоматически, используя информацию о компонентах и их связях, извлекаемую из рисунка. Программа для создания и анализа схем называлась Schematics.

При разработке OrCAD PSpice исходный вариант программы PSpice не изменялся. Все схемные файлы, используемые в первых тринадцати главах этой книги, будут правильно работать в OrCAD PSpice без всякой доработки. Однако с введением программы OrCAD Capture предыдущая программа Schematics больше не может использоваться. К сожалению, между OrCAD Capture и Schematics имеются существенные различия.

Новая программа Capture не получила пока одобрения в академических кругах, так как передать информацию из предыдущей программы в новую достаточно сложно. Но поскольку демонстрационная версия нового программного обеспечения доступна всем желающим, переход на OrCAD Capture без сомнения будет одобрен.

Одним из основных преимуществ PSpice и Capture является большое разнообразие компонентов, доступных проектировщику. Имеется широкий выбор источников питания, пассивных и активных устройств и ряд специальных компонентов.