Symulacja stałoprądowa

Symulacja stałoprądowa polega na obliczeniu wartości prądów i napięć przy założeniu, że w układzie płynie jedynie prąd stały (Direct Current), czyli spoczynkowego punktu pracy układu (DC Operating Point). Podczas obliczeń program uwzględnia tylko źródła prądu stałego (napięciowe, prądowe). Jeżeli używasz jeszcze inne wymuszenia, np. prostokątne lub sinusoidalne, to program uwzględni ich wartości początkowe (w chwili t=0). W przypadku źródła Pulse Source będzie to wartość parametru VZERO. W przypadku źródła Sine Source będzie to wartość zależna od parametrów A, DC, PH (oraz RS – jeżeli źródło jest obciążone). Kondensatory oraz inne pojemności zastępowane są przerwą (I_C=0), a cewki i inne indukcyjności - zwarciem (U_L=0). Uwzględnione są nieliniowe charakterystyki elementów półprzewodnikowych.
Program Micro-Cap umożliwia dwa rodzaje symulacji stałoprądowej:

Dynamic DC Analysis
DC Analysis

Dynamiczna symulacja stałoprądowa - Dynamic DC Analysis

Dynamiczna symulacja stałoprądowa odbywa się na bieżąco – podczas edycji schematu (w czasie rzeczywistym). To znaczy, że wszelkie zmiany jakie wprowadzasz na schemacie (np. zmiana połączeń, zmiana wartości rezystancji, zmiana wzmocnienia b tranzystora, zmiana zasilania, dołączenie nowego elementu, usunięcie elementu itp.) od razu uwzględniane są przez program w obliczeniach prądów i napięć. Jest procesem interaktywnym.
Składowa stała baterii, źródła napięciowego V source, źródła prądowego I source oraz rezystancja mogą być zmieniane „ręcznie” lub regulowane na dwa sposoby:

Poprzez zaznaczenie elementu i przesuwanie przy pomocy myszki suwaka, który pojawia się obok elementu. Suwaki będą wyświetlane po zaznaczeniu opcji Show Slider na stronie Common Options karty Preferences z menu Options (menu Options ® Preferences ® Common Options ® Show Slider). Domyślnie suwaki nie są wyświetlane.
Po zaznaczeniu elementu (kliknięcie na niego w trybie Select Mode) możesz używać klawisze kursora UP ARROW i DOWN ARROW aby zwiększać lub zmniejszać wartość kontrolowanego parametru. Jeżeli zaznaczonych jest kilka elementów to równocześnie zmieniają się parametry wszystkich zaznaczonych elementów.

Zakres zmian wartości przy pomocy suwaka lub klawiatury jest określony w polu SLIDER_MIN i SLIDER_MAX karty danego elementu.
Po zakończeniu symulacji Dynamic DC program opcjonalnie umożliwia przywrócenie schematu do stanu w jakim znajdował się przed rozpoczęciem symulacji Dynamic DC.
Rodzaj informacji wyświetlanej na schemacie w czasie symulacji Dynamic DC zależy od wciśniętych przycisków:

Potencjały węzłów (napięcia względem masy) oraz ich biegunowość lub stany logiczne

Prądy w gałęziach oraz ich kierunki

Moce pd (rozpraszana w elemencie) oraz pg (generowana przez źródło)

Stany pracy elementów (ON, OFF, SAT, LIN, HOT)
Po uruchomieniu symulacji Dynamic DC pierwszy przycisk (napięcia) zostaje automatycznie włączony – pozostałe włącza w razie potrzeby użytkownik.
Omówione przyciski można również używać po zakończeniu innych rodzajów symulacji. Wyświetlane wtedy będą wyniki ostatnich obliczeń symulacji czasowej Transient lub stałoprądowej DC lub spoczynkowy punkt pracy symulacji częstotliwościowej AC.
W celu rozpoczęcia dynamicznej symulacji stałoprądowej kliknij w menu Analysis polecenie Dynamic DC jak pokazano na rysunku.

Uruchomienie dynamicznej symulacji sałoprądowej

Symulacja stałoprądowa - DC Analysis

W celu rozpoczęcia symulacji stałoprądowej kliknij w menu Analysis polecenie DC jak pokazano na rys. 1.

Rys. 1 Uruchomienie symulacji stałoprądowej
Pojawi się karta DC Analysis Limits jak na rys. 2, na której programujesz symulację.

Rys. 2 Karta DC Analysis Limits
Symulacja DC Analysis polega na obliczaniu składowych stałych prądów i napięć wielokrotnie (w pętli), przy czym zmienna pętli określona jako Variable 1 jest za każdym razem zmieniana o wartość wynikającą z przyjętego kroku.
Wyniki obliczeń nie są wyświetlane na schemacie tylko zapamiętywane. Można je potem wyświetlić w postaci wykresów. Otrzymuje się więc statyczne charakterystyki prądowo-napięciowe, przejściowe itp.
Można również zmieniać zmienną Variable 2 (podwójna pętla) i wtedy uzyskujesz rodzinę charakterystyk.
Zmiennymi pętli mogą być wartości napięcia lub prądu źródeł, temperatura, pewien parametr modelu lub zmienna symboliczna.
Podczas symulacji stałoprądowej program nie wylicza wartości ładunku, strumienia magnetycznego, pojemności, indukcyjności, indukcji magnetycznej i natężenia pola magnetycznego.

Programowanie symulacji stałoprądowej - charakterystyka przejściowa (przykład 1)

W układzie jak na rys. 1 przedstaw zależność napięcia kolektor-emiter U_CE oraz prądu kolektora I_C od napięcia wejściowego U_we wykorzystując symulację stałoprądową DC Analysis.

Rys. 1 Schemat układu do przykładu
W tym celu zaprogramuj symulację na karcie DC Analysis Limits według rys. 2.

Rys. 2 Programowanie pola Sweep karty DC Analysis Limits
Określamy parametry zmiennej Variable 1

W polu Method wybieramy ustawienie domyślne Auto – sposób zmiany zmiennej program dobierze automatycznie.
W polu Name wybieramy V1 – w czasie symulacji program będzie zmieniał wartość napięcia baterii V1.
Wpis w polu Range oznacza, że napięcie baterii będzie zmieniane od 0V do 10V z krokiem nie większym niż 100mV.
Zwróć uwagę na kolejność wpisu w polu Range: wartość_końcowa (10V), wartość_początkowa (0V), maksymalny_krok_zmian (100mV). Wielkości te oddzielamy przecinkami.
Jeśli wpiszesz dużą wartość parametru maksymalny_krok_zmian, to symulacja będzie bardzo szybka ale otrzymasz wykresy „kanciaste”. Zbyt mała wartość tego parametru znacznie wydłuża czas symulacji i otrzymasz „nadmiar” punktów na wykresie. W większości przypadków wykres składający się ze 100 do 200 punktów jest wystarczająco dokłany.

Jeżeli zaznaczysz pole

to po każdym uruchomieniu symulacji wykresy będą automatycznie skalowane. Nie zawsze daje to najlepsze rezultaty.

W poniższej tabelce programujesz wykresy.

Rys. 3 Tabela programowania wykresów
Na wykresie numer 1 przedstawimy zależność napięcia kolektor-emiter od napięcia wejściowego U_CE=f(U_we).
Na osobnym wykresie numer 2 przedstawimy zależność prądu kolektora od napięcia wejściowego I_C=f(U_we).

W kolumnie P wybierasz numer wykresu (od 1 do 9), na którym będzie rysowany przebieg lub wpisujesz słowo None jeżeli przebieg nie ma być wyświetlany.
Kilka przebiegów można rysować na wspólnym wykresie – w tym celu w kolumnie P tych przebiegów wpisz ten sam numer wykresu. W takim przypadku wszystkie przebiegi na tym wykresie mogą mieć wspólną lub oddzielne skale (zależy to od ustawienia opcji Same Y Scales w menu Scope, które pojawi się po zakończeniu symulacji).
W kolumnie X Expression wpisz zmienną lub wyrażenie, które będzie przedstawione na osi OX.
W naszym przypadku będzie to napięcie wejściowe, co zapiszemy w postaci v(We) – zapis ten oznacza napięcie w węźle „We” względem masy.
W kolumnie Y Expression wpisz zmienną lub wyrażenie, które będzie przedstawione na osi OY.
W naszym przypadku będzie to napięcie kolektor-emiter tranzystora Q1 co zapiszemy w postaci vce(Q1).
W kolumnie X Range wpisz zakres wielkości przedstawionej na osi OX w formacie wartość_górna, wartość_dolna.
Jeżeli nie masz pojęcia w jakim zakresie będzie się zmieniała ta wielkość to wpisz słowo Auto – po zakończeniu symulacji program wypełni to pole automatycznie.
W naszym przypadku na osi OX przedstawimy napięcie v(We), które planujemy zmieniać od 0V do 10V, więc możesz w kolumnie X Range wpisać „10, 0” – oczywiście bez znaków cudzysłowia. Możesz też wpisać po prostu „10” (tylko wartość_górna) – wtedy wartość_dolna domyślnie wynosi 0.
W kolumnie Y Range wpisz zakres wielkości przedstawionej na osi OY. Skorzystaj z uwag dotyczących pola X Range.

Przyciski z lewej strony tabelki:

- rodzaj skali na osi OX (liniowa lub logarytmiczna)
- rodzaj skali na osi OY (liniowa lub logarytmiczna)
- kolor, w jakim będzie rysowany przebieg
- wciśnięcie spowoduje zapis wyliczonego przebiegu do pliku tekstowego

Skali logarytmicznej będziesz prawdopodobnie używał tylko dla osi, na której przedstawiasz częstotliwość i to nie zawsze – domyślne ustawienia programu najczęściej są prawidłowe.

Przyciski w górnej części karty DC Analysis Limits:

- rozpoczęcie symulacji z równoczesnym rysowaniem przebiegów
- dodanie nowego wiersza do tabelki (gdy chcesz rysować więcej przebiegów)
- usunięcie wiersza tabelki (tego, w którym znajduje się kursor)
- rozszerzenie pole edycji (gdy wpisujesz skomplikowane wyrażenie)
- symulacja z parametrem
- rozszerzone właściwości wykresów (kliknij i sprawdź)
- pomoc (w języku angielskim)

Po zakończeniu symulacji możesz ponownie otworzyć kartę DC Analysis Limits klikając na

- otwiera kartę Stepping

- programowanie animacji

- uruchomienie symulacji Run

- zatrzymanie symulacji Stop

- chwilowe wstzymanie symulacji Pause

Programowanie symulacji stałoprądowej - rodzina charakterystyk (przykład 2)

W układzie jak na rys. 1 przedstaw zależność napięcia kolektor-emiter U_CE oraz prądu kolektora I_C od napięcia wejściowego U_we przy różnych napięciach zasilania (rodzina charakterystyk).

Rys. 1 Schemat układu do przykładu
Parametry zmiennej Variable 1 będą takie same, jak w przykładzie 1 (wielkością zmienianą w tej pętli będzie również napięcie wejściowe czyli źródła V1) - pętla wewnętrzna.
W celu uzyskania rodziny charakterystyk należy dodatkowo określić parametry zmiennej Variable 2 - pętla zewnętrzna, według rys. 2.

Rys. 2 Programowanie pola Sweep karty DC Analysis Limits dla uzyskania rodziny charakterystyk
Określamy parametry zmiennej Variable 2:

W polu Method wybieramy ustawienie Linear – daje nam to dostęp do pola Name.
W polu Name wybieramy V2 – w czasie symulacji program będzie zmieniał dodatkowo wartość napięcia baterii V2 (zasilania).
Wpis w polu Range oznacza, że napięcie zasilania V2 będzie zmieniane od 3V do 9V z krokiem 2V.

Po uruchomieniu, symulacja będzie przebiegać następująco:

V2=3V, V1 zmieniane od 0V do 10V (pierwsza charakterystyka)
V2=3V+2V=5V, V1 zmieniane od 0V do 10V (druga charakterystyka)
V2=5V+2V=7V, V1 zmieniane od 0V do 10V (trzecia charakterystyka)
V2=7V+2V=9V, V1 zmieniane od 0V do 10V (czwarta charakterystyka)

Rys. 3 Rozwiązanie zadania. Kolor niebieski odpowiada zasilaniu V2=3V.

Opracował: Stanisław Pelczar PZNr10 SME Kęty