Дж. Кеоун - OrCAD PSpice. Анализ электрических цепей
Рис. 14.21. Вариация частоты вблизи 60 Гц
Порядок следования узлов
В качестве дополнительного упражнения удалите графики с экрана Probe и получите график V(L1:1)=0,8 В, VR(L1:1)=0,64 В и VI(L1:1)=0,48 В при f=60 Гц. Теперь удалите эти графики и получите график VP(L1:1)=36,9. На рисунке, созданном в Capture, катушка индуктивности была три раза повернута из начальной горизонтальной позиции. Вспомните, что при каждом вращении происходит поворот на 90 против часовой стрелки. Так как полюс 1 был первоначально слева, то после трех поворотов полюс 1 находится сверху. Таким образом, полюс L1:1 соответствует узлу 2 в схеме. Когда мы имеем дело с узлами в любой электрической схеме, необходимо учитывать порядок их следования.
Таким образом, напряжение на катушке индуктивности может быть установлено как 0,8 В, но директива не завершена, если направление не показано также на сопровождающей схеме цепи и/или записью с двойным нижним индексом. В нашим примере запись V(L)1,2=0,8 В правильно указала бы, что полюс 1 катушки индуктивности смещен на 0,8 В относительно полюса 2. При использовании для ссылки узлов вместо полюсов напряжение на катушке индуктивности было бы обозначено как V(L)2,0=0,8 В.
Получение синусоидальных временных диаграмм при анализе на переменном токе
При изучении схем переменного тока обычно используется векторное представление, при котором напряжение источника можно было бы записать как VS=1∠0° В. Это означает, что источник синусоидальный с действующим значением 1 В и начальным фазовым углом в 0°. Это напряжение имеет вид синусоиды с максимальным значением 1√2=1.414 В. Прежде чем мы начнем рассматривать синусоидальные временные диаграммы напряжение и токов в Probe, отметим, что удобнее заменить действующее значение максимальным. Таким образом, наша запись VS=1∠0° В будет означать напряжение с максимальным значением 1 В, поскольку с такой формой удобнее работать. Только не забудьте, что значение, которое вы считаете максимальным, — на самом деле действующее. Если вы считаете это неудобным, то можете при анализе преобразовывать действующие значения в максимальные, воспользовавшись калькулятором. Если иное не оговаривается, то наши значения будут заданы как действующие, а использоваться, как максимальные.
В Capture начните новый проект с именем ac1sine для источника переменного напряжения, включенного последовательно с резистором и катушкой индуктивности, как и в предыдущем примере. На сей раз вместо VAC источник будет показан как VSIN. Компоненты имеют одинаковое графическое обозначение, но различные надписи. Завершите рисунок, выведя на рабочее поле VSIN, R, L и GND). Задайте значения R1=1,5 Ом и L1=5,3 мГн. Трижды поверните L1 так, чтобы первый полюс оказался вверху. Это даст соответствующие углы для напряжения и тока катушки индуктивности, как объяснено в предыдущем примере. Дважды щелкните на компоненте V1 и в окне Property Editor установите VAMPL=«1 V», FREQ=«60Hz» и VOFF=«0». Вспомним из предыдущего параграфа, что амплитуда напряжения в 1 В — фактически максимальное значение, но для простоты мы будет считать его действующим. Это означает, что значения всех напряжений и токов также будут считаться действующими.
Задав значения и номера узлов для остальных компонентов, сохраните схему и выберите PSpice, New Simulation Profile, задав имя ac1sines. Для Analysis type выберите «Time Domain (Transient)» со временем выполнения 30 мс и максимальным размером шага 0,0167 мс, как показано на рис. 14.22. Выполните моделирование и в Probe получите графики V(V1:+) и V(L1:1), чтобы установить их амплитуды и фазовые углы. Они должны получиться такими, как на рис. 14.23. Как явствует из рисунка, временные диаграммы напряжений начинаются в одной точке, но поскольку напряжение V(L1:1) изменяется в переходном процессе (и не задано начальное значение IС), рассмотрим процесс вблизи третьего пересечения оси напряжением катушки индуктивности (при t=23,28 мс).
Рис. 14.22. Установки для моделирования во временной области
Рис. 14.23. Фазовые соотношения в RL-цепи
Напряжение источника питания пересекает ось вблизи t=25 мс, опережая напряжение на катушке индуктивности приблизительно на 36,9°.
Отметим, что в отличие от второго максимума в 0,8 В, первый максимум напряжения на катушке индуктивности не дает верного значения (получающегося при установившемся режиме).
Временные диаграммы тока и напряжений
Мы можем получить временные диаграммы тока и напряжений, выбрав Plot, Add Y Axis. При этом создается вторая вертикальная ось, в то время как для первой сохраняется прежняя разметка. Если мы теперь получим график I(R1), то крайняя левая вертикальная ось сохранит диапазон ±1 В, в то время как правая ось (с меткой 2) будет размечена в диапазоне ±500 мА (рис. 14.24). Эта методика особенно полезна, когда числовые значения напряжений и токов значительно отличаются. Синусоидальная временная диаграмма тока в третий раз пересекает ось X вблизи t=27,449 мс. Это соответствует запаздыванию тока на 52,9° относительно приложенного напряжения, что близко к истинному значению (53,1°).
Рис. 14.24. Временные диаграммы тока и напряжений при анализе на переменном токе
Последовательная RC-цепь
Во втором примере главы 2 рассматривалась схема, содержащая источник переменного тока, включенный последовательно с резистором и конденсатором. Анализ выполнялся при частоте f=318 Гц. Используйте Capture, чтобы создать новый проект ac2. При создании схемы трижды поверните конденсатор (так, чтобы первый полюс оказался наверху). Используйте компоненты VAC, R, С и 0/SOURCE для земли.
Законченная схема должна выглядеть, как показано на рис. 14.25. Значения параметров: V1=1 В, R1=5 Ом и С1=100 мкФ. После создания схемы пронумеруйте узлы, чтобы удобно было на них ссылаться. Как в первом примере этой главы, мы используем PSpice, New Simulation Profile, выбрав имя ac2s. Проведем анализ типа AC Sweep/Noise с начальной и конечной частотами f=318 Гц. Посмотрите, как это выполнено в предыдущем разделе.
Рис. 14.25. Последовательная RC-цепь
Выполните моделировании и в Probe получите графики V(C1:1), r(V(C1:1)) и img(V(C1:1)). Они появятся как точки на графике со значениями 0,7 В, 0,5 В и -0,5 В соответственно (рис. 14.26). Если вы попытаетесь распечатать этот график, вы столкнетесь с ошибкой в программе PSpice (которой не было в предыдущих ее версиях), и значения не будут появляться в соответствующем месте частотного диапазона. Как упомянуто ранее, курсор не может использоваться в случае графика для одной частоты (чего также не было в предыдущих версиях). На рис. 14.26 показаны эти значения в том виде, в каком они появляются на экране Capture. Удалите графики напряжений и выведите временную диаграмму тока.
Рис. 14.26. Экран Capture, показывающий действительную и мнимую составляющие напряжения
Убедитесь, что I(R1)=0,14 A, r(I(R1))=0,1 А и img(I(R1))=0,1 А. Удалите эти графики и убедитесь, что угол сдвига тока схемы IP(R1) относительно приложенного напряжения V1, составляет 45°.
Полезно также рассмотреть перечень элементов (netlist) схемы. Панель в левой части экрана показывает различные файлы, связанные с этим проектом. Открыв файл ac2-schematic1, вы увидите список из трех компонентов (V, R и С) вместе с их узлами и значениями параметров (рис. 14.27).
Рис. 14.27. Схема и перечень компонентов, полученных в Capture
Два примера в начале этой главы познакомили нас с методами создания схемы в Capture и с автоматическим созданием программой схемного файла, с помощью которого выполняется моделирование. Очевидно, что процесс гораздо более утомителен и требует большего времени, чем просто использование команд PSpice в схемном файле для тех же целей. Это справедливо для всех задач и в этом целесообразность изучения программы PSpice до овладения созданием схем в Capture.
Полное сопротивление нагрузки, обеспечивающее максимальную передаваемую мощность
На рис. 2.9 главы 2 показан последовательный контур, предназначенный для определения полного сопротивления нагрузки, при котором в ней обеспечивается максимальная мощность. Используем Capture, чтобы создать новый проект maxpo для схемы, показанной на рис. 14.28. Параметры элементов: V1=12 В (используем источник VAC), R1=600 Ом, R2=600 Ом, L1=23,873 мГн и С1=1,06 мкФ. Трижды поверните R2 и C1 так, чтобы ваш рисунок был похож на приведенный в этом примере. Пронумеруйте узлы, двигаясь по часовой стрелке от V1, используя Place, Netlist. Для моделирования на PSpice выберите имя Maxsweep и в качестве типа анализа выберите AC Sweep/Noise. Вариация должна быть проведена для частотного диапазона от f=500 Гц до f=1500 Гц с использованием 1001 точки.
