Symulacja czasowa - Transient Analysis

Symulacja czasowa polega na obliczeniu wartości chwilowych prądów i napięć (przebiegów czasowych). Możesz je po zakończeniu symulacji wyświetlić na wykresach czasowych. Oprócz prądu (current) i napięcia (voltage), program wylicza również: moce (power) - rozpraszaną (pd), generowaną (pg) oraz gromadzoną (ps), rezystancję (resistance), ładunek (charge), pojemność (capacitance), strumień magnetyczny (flux), indukcyjność (inductance), indukcję magnetyczną (B field) oraz natężenie pola magnetycznego (H field).
W celu przeprowadzenia symulacji czasowej musisz w układzie zastosować źródło (wymuszenie) zmienne w czasie. W programie Micro-Cap są dostępne dwa podstawowe tego rodzaju źródła: Podczas symulacji czasowej program uwzględnia nieliniowości charakterystyk elementów półprzewodnikowych. Jeśli więc zastosujesz źródło sinusoidalne to często otrzymasz przebiegi zniekształcone.

Źródło Pulse Source

Jest to programowane źródło napięciowe fali prostokątnej, trójkątnej, piłokształtnej, szpilkowej itp.
Kliknij na pasku elementów.
Rys.1 Symbol elektryczny źródła Pulse Source. Jest to źródło V1 typu prost_1kHz (nazwa modelu) – zapewne wytwarza falę prostokątną o częstotliwości 1kHz.

Musisz określić typ źródła (nazwa modelu) – podobnie jak podajesz typ tranzystora czy diody. Model możesz wybrać z listy na karcie elementu lub zdefiniować samodzielnie (wtedy musisz określić nową nazwę modelu oraz zaprogramować jego parametry).
Parametry modelu źródła programujesz na karcie Pulse Source, pokazanej na rys. 2.


Rys. 2 Karta źródła Pulse Source


Na rys.3 przedstawiony jest przebieg czasowy napięcia generowanego przez źródło zaprogramowane na karcie z rys. 2 (VZERO=-3V, VONE=4V, P1=150us, P2=300us, P3=600us, P4=700us, P5=800us).
Rys. 3 Parametry programowanego źródła Pulse Source. Czas w [ms], napięcie w [V].
Zauważ, że czas narastania przebiegu jest równy P2–P1=150ms, czas opadania P4–P3=100ms, czas trwania stanu wysokiego P3–P2=300ms, a częstotliwość 1/P5=1.25kHz.

Opis parametrów źródła Pulse Source
Nazwa Opis Jednostka Wartość
domyślna
VZERO napięcie w stanie niskim V 0
VONE napięcie w stanie wysokim V 5
P1 czas do zbocza narastającego s 100n (n=nano)
P2 czas do stanu wysokiego s 110n
P3 czas do zbocza opadającego s 500n
P4 czas do stanu niskiego s 510n
P5 okres powtarzania fali s 1u (u=mikro)

Źródło Sine Source

Jest to programowane źródło napięciowe fali sinusoidalnej.
Kliknij na pasku elementów.
Rys.1 Symbol elektryczny źródła Sine Source. Jest to źródło V1 typu sin_50Hz (nazwa modelu) fali sinusoidalnej zapewne o częstotliwości 50Hz.

Musisz określić typ źródła (nazwa modelu) – podobnie jak podajesz typ tranzystora czy diody. Model możesz wybrać z listy na karcie elementu lub zdefiniować samodzielnie (wtedy musisz określić nową nazwę modelu oraz zaprogramować jego parametry).
Parametry modelu źródła programujesz na karcie Sine Source, pokazanej na rys. 2.


Rys. 2 Karta źródła Sine Source


Na rys.3 przedstawiony jest przebieg czasowy napięcia generowanego przez źródło zaprogramowane na karcie z rys. 2 (F=50Hz, A=9V, DC=5V, PH=-45*PI/180rad, RS=1mW, RP=0s, TAU=0s).
Rys. 3 Parametry programowanego źródła Sine Source. Czas w [ms], napięcie w [V].
Zauważ, że jest to przebieg sinusoidalny, nie tłumiony, posiadający składową stałą oraz opóźnienie fazowe.

Przebieg sinusoidalny generowany przez źródło Sine Source można wyrazić wzorem:
u(t)=A×sin(w×t+j)+DC gdzie w=2×p×F oraz j=PH
W naszym przypadku A=9V, DC=5V, okres=22.5ms–2.5ms=20ms (częstotliwość F=1/okres=50Hz), opóźnienie to=2.5ms.
Możesz wyliczyć fazę początkową ze wzorów:
PH=-2×p×F×to=-0.7854 radianów lub PH=-360°×F×to=-45° (we wzorach zastosowaliśmy minus ponieważ występuje opóźnienie).

Opis parametrów źródła Sine Source
Nazwa Opis Jednostka Wartość
domyślna
F częstotliwość Hz 1meg (meg=mega)
A amplituda V 1
DC składowa stała (DC) V 0
PH faza początkowa rad 0
RS rezystancja wewnętrzna W 1m (m=mili)
RP okres powtarzania tłumienia s 0
TAU stała czasowa tłumienia s 0
Uwaga: Jeżeli fazę początkową j podajesz w stopniach, to PH=j×p/180

Programowanie symulacji czasowej - przykład

Przedstaw przebiegi prądów i napięć w prostowniku dwupołówkowym.

Rys. 1 Prostownik dwupołówkowy.


Jako model transformatora z odczepem na środku uzwojenia wtórnego (2 x 10V – transformator zawsze projektuje się na wartości skuteczne napięć) zastosujemy dwa jednakowe źródła Sine Source V1 i V2 połączone jak na rys. 1. Będą to źródła typu 10V/50Hz (MODEL=10V/50Hz).
Na karcie Sine Source zaprogramuj parametry:
- częstotliwość F=50
- amplituda A=10*sqrt(2) (program wylicza amplitudę ze znanego wzoru).
W celu prawidłowego wyliczenia prądu Io zaznacz chwilowo pole Display Pin Names na karcie rezystora Ro i następnie obróć go w taki sposób, aby prąd Io wpływał do końcówki Plus tego rezystora.
W celu rozpoczęcia symulacji czasowej kliknij w menu Analysis polecenie Transient jak pokazano na rys. 2.

Rys. 2 Uruchomienie symulacji czasowej.


Pojawi się karta Transient Analysis Limits jak na rys. 3, na której programujesz symulację.

Rys. 3 Karta Transient Analysis Limits.


Programowanie symulacji czasowej polega przede wszystkim na wypełnieniu pól: Dla symulacji czasowej istotne jest określenie wartości początkowych (dla t=0) napięć i prądów w układzie. Są to np. początkowe napięcia na kondensatorach i początkowe prądy w cewkach. Jeżeli zaznaczysz pole Operating Point to program obliczy wartości początkowe wykonując automatycznie symulację stałoprądową przed rozpoczęciem symulacji czasowej. Jeżeli nie zaznaczysz pola Operating Point to program przyjmuje wartości początkowe w zależności od wyboru na liście State Variables.
Pole Auto Scale Ranges oraz tabelkę wykresów programujesz podobnie jak dla symulacji stałoprądowej pamiętając, że w tym przypadku na osi OX (pole X Expression) przedstawiony będzie czas t. Wyniki symulaci przedstawia poniższy rysunek:

Opracował: Stanisław Pelczar PZNr10 SME Kęty