1. Анализ на постоянен ток

Веригите с постоянен ток са важни не само сами по себе си, но и защото много от техниките, използвани в техния анализ, се използват и при анализа на вериги с променлив ток. Всъщност анализът на повечето електронни схеми и устройства може да се извърши с помощта на същите методи.

Най-важното свойство на последователна верига от три резистора, свързани към източник на постоянно напрежение (Фигура 1.1), е, че един и същ ток протича през всички нейни елементи.

анализ

Фиг. 1.1. Последователна схема с три резистора

Другото му важно свойство е, че приложеното напрежение (50 V) се разделя между резисторите правопропорционално на тяхното съпротивление. Например спадът на напрежението на резистор от 150 ома е три пъти по-голям от спада на напрежението на резистор от 50 ома. Чрез прилагане на концепцията за разделяне на напрежението е лесно да се намери спадът на напрежението във всеки елемент, без дори да се знае токът във веригата. И така, напрежението приR3 е:

и спада на напрежението вR2:

Токът също се намира просто с помощта на някое от следните уравнения:

Използване на Spice за изследване на вериги

Спайс анализ на серийна верига

Спомнете си, че след въвеждането на последната команда (.END) е по-добре да не натискате Enter. След като въведете всички редове на файла, използвайте набора от команди File, Save и въведете име на файл, като Probe1.cir. Както беше отбелязано по-рано, най-добре е да съхранявате всички входни файлове в папката SPICE, като използвате правилния път на папката, който би изглеждал като c:/SPICE например. Прозорецът Запиши като тип трябва да показва "Circuit Files (*.cir)".

Затворете файла с помощта на командите File, Close и го отворете отново с помощта на командите File, Open. Вече сте готови да стартирате симулациятакоманди Simulation, Run prob1. Преди да направите това, можете да използвате командата View и да проверите "Output Window" и "Simulation Status Window". След като симулацията приключи, екранът трябва да изглежда като този, показан на Фигура 1.2. Имайте предвид, че крайното състояние и съобщението за края на симулацията трябва да се показват в долния ляв прозорец: „Симулацията е завършена“.

постоянен

Фиг. 1.2. PSpice екран след завършване на симулацията

Преглед на изходния файл

Най-важните части на изходния файл съдържат информация за напреженията на различни възли:

Напрежение на възел Напрежение на възел Напрежение на възел

Потенциалът на възел1е напрежениетоV10, напрежението на захранването.2възлов потенциал — напрежениеV20, общ спад на напрежението презR2 иR3. Възлово напрежение3- напрежениетоV30 е спадът на напрежението върху резистораR3.

Както изчислихме по-рано, напрежениетоVR3(равно на V30) е 25V, така че анализът на PSpice е правилен. Как можем сега да определим напрежението вR2? То е равно наV2–V3 и може да се изчисли катоV20–V30.

Анализът на PSpice също взема предвид напрежението и тока на захранването; напрежението на захранването V е дадено в първоначалните данни, токът през него според изходния файл е -1.667E-01. Токът има правилната числена стойност, но защо знакът му е отрицателен? SPICE показва тока, който тече от плюс към минус вътре в захранването, и тъй като токът вътре в захранването всъщност тече от минус към плюс, знакът на тока е отрицателен. Просто казано, когато токът е отрицателен, той протича от плюс към минус във веригата на външното захранване.

Имайте предвид, че общата разсейвана мощност също еопределен чрез моделиране на PSpice и е 8,33 вата. Това е просто произведение на ток I и напрежениеV:50×0,1667=8,33 W. За схемата (фиг. 1.1), която съдържа само един клон, получихме почти изчерпателна информация. За да получите други стойности, разгледайте следната, малко по-сложна схема.

Друг пример за анализ

Помислете сега за Т-образна верига с източник на постоянно напрежение от 50 V и резистор за натоварване R4 \u003d 150 Ohm (фиг. 1.3). Съпротивлението на товарния резистор може да варира в произволни граници. Можете да мислите за товарен резистор като за изходен резистор (тоест свързан към изхода на веригата).

постоянен

Фиг. 1.3.Т-образна схема

Как можете да намерите напрежението и тока през този резистор или, според обозначението на фиг. 1.3, напрежениеV3 и ток I (ток, протичащ от възел3към възел0)?

Входното съпротивление на веригата се намира чрез добавяне наR2 иR4 (получаваме 200 ома), свързване на тази верига паралелно сR3 (200200=100 ома) и добавяне наR1 (сумата ще бъде 200 ома). ТакаRBX=200 ома. Токът на източника (входен ток) е равен наV/RBX=50/200=0,25 A (токът е насочен от положителния полюс на източника V).

Спадът на напрежението наR4 се определя от израза за делителя на напрежението:

След като имате резултатите от ръчното изчисление, нека да видим как се прави на PSpice. Създайте файл с имеprobe 2.cirсъс следните команди:

Спайс анализ на тройник верига

Както обикновено, такъв файл започва със заглавка и завършва с командата .END. Този файл има нова команда: .TF. Той извежда трансферна функция в изходния файл, което е съотношението на изходанапрежение към входа. В нашия случай изходното напрежение V(3) е спадът на напрежението презR4, а входното напрежение е просто напрежениетоVна захранването. Вие сами избирате кое от напреженията да направите на изхода, може да е напрежението на някой друг резистор. За да се определи трансферната функция, може просто да се вземе съотношението V(3)/V. В нашия случай то е равно на 18,75/50 = 0,375.

Командата .OPTION с опцията NOPAGE предотвратява показването на ненужни горни и долни колонтитули. В нашия пример използването на тази команда не променя значително изходния файл и няма специална нужда от това. Но е по-добре автоматично да включите тази команда във всички входни файлове. Това ще ви освободи от необходимостта ръчно да изключвате някои допълнителни редове, когато редактирате изходния файл.

Стартирайте симулацията на PSpice с командата RUN и изберетеprob2.out.Не забравяйте да се отървете от допълнителните редове в изходния файл и да отпечатате копие за по-нататъшно проучване. Проверете спада на напрежението наR3. Той се обозначава като V(2) в изходния файл. Нека също проверим спада на напрежението вR4, което е посочено като V(3) на фиг. 1.3. Захранващият ток се представя като -2.5E-1 или -0.25 A. Тази стойност съвпада ли с тази, която получихме при предварителното изчисление? Сега можете да видите допълнителна информация, получена с помощта на командата .TF. Този низ винаги съдържа името на захранването. Нека проверим нашите изчисленияRBX=200 Ohm. Същата стойност беше получена с PSpice.

Какъв е изходният импеданс? Тъй като V(3) се въвежда като изходно напрежение в .TF линията, изходното съпротивление е съпротивлението на веригата между възли3и0, когатозахранванеV(точно късо, не само изключено). Във веригата за изчисляване на изходното съпротивление резисторитеR1 иR3 са свързани паралелно, този низ е свързан последователно сR2, а получената комбинация от резистори е свързана паралелноR4. Проверете дали съпротивлението на такава връзка е Rout = 65,63 ома. В много случаи е желателно да се сравни изходното напрежение с входното напрежение. Понякога съотношението на тези напрежения се нарича усилване на напрежението. В схеми, съдържащи едно захранване и пасивни компоненти (например резистори, както на фиг. 1.3), коефициентът на усилване не може да надвишава 1. В нашия случай той е 0,375.

По този начин сравнихме резултатите от изчислението и анализа на PSpice на проста резистивна верига. Трябва да се отбележи, че нямахме за цел да използваме инструмента PSpice, за да разберем теорията на веригата. Ако не знаете как да изчислите общото съпротивление на верига, съставена от последователно и паралелно свързани резистори, компютърният анализ едва ли ще ви научи. Всъщност, напротив, по-скоро ще откриете, че е по-лесно да разберете резултатите от анализа на PSpice, като имате опит в ръчното изчисляване на вериги.

Разбира се, може да попитате: „Защо тогава имаме нужда от PSpice?“ Има две причини, поради които тази програма може да ви бъде полезна. Като разберете как PSpice работи в прости диаграми, можете да приложите този инструмент към много по-сложни схеми, които далеч не са лесни за ръчно изчисляване. И освен това ще можете да разберете различните изчисления на PSpice, които в момента се използват широко в професионалните дейности.

Имайте предвид, че линията, представляваща захранването, започва сV, а линията, представляваща резистора, започва сR. Удобно е да се използват обозначения, които отразяват структурата на изследваната верига, напримерVSилиVINза захранването иRSза вътрешното му съпротивление.

Нека да разгледаме най-често срещаните методи за анализ на вериги и как PSpice може да се използва за тестване на най-важните теореми в електротехниката.

Основни закони на теорията на веригите

При изучаването на електрическите вериги широко се използва вторият закон на Кирхоф, според който алгебричната сума на напреженията в затворена верига е 0. Първият закон на Кирхоф се прилага за токове, приближаващи възел, и гласи, че алгебричната сума на такива токове също е 0. Анализ на веригата на фиг. 1.4 може да ни покаже изпълнението на тези два закона. Тази верига съдържа три пътя и четири възела (в допълнение към референтния възел0). Сега няма да го изчисляваме ръчно, а веднага ще приложим PSpice. Направете го сами със следния входен файл и след това проверете резултата:

Мостова верига за използване с основните закони на веригата