Универзитет у Бањој Луци Електротехнички факултет Катедра за Општу електротехнику предмет: Теорија електричних кола 1 ЛАБ 1: Симулација електричних кола у временском домену Увод За симулацију електричних кола постоји велики број софтверских пакета базираних на Spice-у, програму који описује аналогна и дигитална електирчна кола модификованом методом потенцијала чворова. PSpice је варијанта програма која се користи за рад на персоналним рачунарима и представља основу великог броја програмских пакета за симулацију електричних кола, као што су OrCAD, LTspice IV, NGspice, 5spice, итд. OrCAD је програмски пакет који се најчешће користи за симулацију кола. Међу великим бројем програма које овај пакет садржи, за симулацију користимо Capture CIS (Component Information System, програм који садржи информације о моделима елемената), док се за графички приказ резултата користи Probe. PSpice сваком чвору додјељује неку лабелу или ознаку, затим на основу те листе чворова, тзв. нетлисте и постављене електричне шеме, поставља систем једначина према модификованој методи потенцијала чворова. Нпр., за коло са слике 1. нетлиста изгледа овако: * source PRIMJE R_ N128 N135 1k C_ N135 V_V1 N128 +PULSE V 1V us.1us.1us 3us 6us Извршавањем симулације се на претходну листу додају директиве за тип и карактеристике симулације. За детаље о дефинисању типа симулације погледати упутство за употребу. За извршавање симулације у временском домену, према првом задатку, креирају се сљедеће команде: *Analysis directives:.tran 3ms 1ns.PROBE V(alias(*)) I(alias(*)) W(alias(*)) D(alias(*)) NOISE(alias(*)).INC "..\SCHEMATI.net" **** INCLUDING SCHEMATI.net **** * source PRIMJE R_ N128 N135 1k C_ N135 V_V1 N128 +PULSE V 1V us.1us.1us 3us 6us
Листа чворова је уписана у SCHEMATI.net. У овом примјеру имамо три чвора, означена са N128, N135 и. Чвор означен са представља чвор нултог потенцијала. Нпр. линија R_ N128 N135 1k, говори да се између чворова N128 и N135 налази отпорник отпорности 1kΩ. На исти начин интерпретирамо наредне двије линије кода. Четврта линија дефинише тип генератора и његове карактеристике. Из листе директива анализе најзначајнија команда је TRAN која означава транзијентну (временску) анализу и дефинише њене карактеристике. Упутство за употребу 1. Покренути програм Capture CIS, 2. Креирати нови пројекат одабиром менија File > New Project. У дијалошком боксу, дати назив пројекту и обавезно одабрати локацију на диску гдје ће пројекат бити снимљен. Препоручује се да се за сваки пројекат креира посебан фолдер зато што програм креира неколико фајлова приликом симулације кола. Да би симулација могла да се изврши, потребно је одабрати пројекат типа Analog or Mixed Circuit Wizard. Поједине верзије програма понуде опцију да се креира хијерахијски пројекат или празан (blank) пројекат. Да би правилно извршили симулацију, потребно је изабрати празан пројекат. 3. Приликом креирања пројекта, поједине верзије програма понуде опцију укуљивања библиотека у пројекат, што је могуће учинити и касније. За основне врсте симулација потребне су библиотеке: ANALOG, која садржи моделе пасивних елемента; SOURCE гдје се налазе модели различитих врста напонских и струјних извора напајања; OPAMP која садржи моделе операционих појачавача. Програм понекад неће понудити ову опцију, па се библиотеке требају убацити у пројекат наканадно. 4. Након креирња пројекта, може се поставити одговарајућа електрична шема коју је потребно симулирати. Да би убацили елементе кола на шему, из опадајућег менија је потребно изабрати опцију Place > Part, након чега се отвара дијалошки бокс са могућим избором елементата по библиотекама. Уколико је потребно користити нову библиотеку, потребно је изабрати опцију Add Library, након чега се може убацити нова библиотека у пројекат. 5. Изабрани елемент се може поставити на радну површину произвољан број пута. Важно је напоменути да није дозвољено да неколико елемената има исто име. Уколико је потребно извршити ротацију елемента, након селекције је потребно притисунути слово R на тастатури или одабрати опцију Rotate из опадајућег менија који се добија кликом на десни тастер миша. Након постављања потребног броја елемената, притиском на тастер Esc или одабиром опције End Mode се завршава рад са одабраним елементом. Вриједност елемената се задаје двоструким кликом на опцију Value. Димензију није потребно
задавати, а префикси су редом означени слиједећим словима: f = 1-15, p = 1-12, n = 1-9, u = 1-6, m = 1-3, k = 1 3, MEG = 1 6, G = 1 9, T = 1 12. 6. Повезивање елемената се врши одабиром опције Place > Wire. Да би се повезала два елемента, потребно је кликнути на један крај првог елемента, па се помјерањем миша појављује линија, тј. жица са спојем на првом елементу. Остаје да се линија споји на жељени крај другог елемента. Да би симулација могла да се изврши, сви елементи треба да буду повезани. 7. Пошто је PSpice заснован на модификованој методи потенцијала чворова, за извршење симулације је потребно задати тачку нултог потенцијала. Потребно је изабрати опцију Place > Ground, затим из библиотеке SOURCE. 8. Један од важних сегемента симулације јесте одабир одговарајућег извора за напајање. У случају симулација у временском домену најчеће се користе: DC генератори (VDC), гдје је потребно задати вриједност напона или струје; синусни генератори (VSIN), гдје се може задати вриједност амплитуде, фреквенција и почетна фаза; импулсни генератори (VPULSE), који се могу искористити за реализацију произвољних импулсних функција. За симулације предвиђене у овој вјежби је најпогодније користити напонски импулсни генератор. Његове опције су: a. TD кашњење импулса, b. TR трајање узлазне ивице, c. TF трајање силазне ивице, d. V1 вриједност ниског напона, e. V2 вриједност високог напона, f. PW ширина импулса, g. PER период понављања. 9. Након креирања електричног кола, постављања свих вриједности пасивних елемената и генератора, те повезивања, потребно је дефинисати врсту и карактеристике симулације. Наиме, програм може да изврши симулације у временском домену, симулације у фреквентном домену, разне параметарске симулације, симулације једносмјерног режима, итд. Тип симулације се дефинише креирањем одговарајућег симулационог профила. 1. Симулациони профил се креира одабиром опције Pspice > New Simulation Profile. Креирањем профила се отвара дијалошки бокс Simulation Settings. За потребе ове вјежбе, из менија Analysis Type бирамо опцију Time Domain (Transient). Важно је дефинисати трајање симулације у складу са дефинисаним параметрима у електричном колу. Нпр. уколико је задана одређена вриједност периода понављања импулсног генератора или фреквенције синусног генератора, потребно је дефинисати параметар Run To Time тако да се изврши симулација за барем неколико периода. Опција Maximum Step Size дефинише максималан корак по временској оси. Велики корак може дати
непрегледан грфик, док мали корак може значајно продужити вријеме трајања симулације. 11. Улогу мјерних инструмената имају одговарајући маркери, па се у колу могу поставити напонски маркери, који мјере напон у односу на тачку нултог потенцијала или диференцијалани напонски маркери, који мјере разлику потенцијала између двије тачке. Такође, могу се поставити струјни маркери, али се мора водити рачуна да се поставе тачно на спој елемента са жицом. 12. Извршавање симулације се врши одабиром опције Pspice > Run. Уколико није направљена грешка приликом креирања кола и свих параметара, отвориће се нови прозор са графичким приказом резултата симулације у складу са постављеним маркерима. Припрема 1. За електрично коло приказано на слици 1. написати диференцијалну једначину за напон на кондензатору, за коло на слици 2. написати диференцијалну једначину за напон на отпорнику, а за коло на слици 3. написати диференцијалну једначину за напон на кондензатору. 2. Написати карактеристичне полиноме, те одредити сопствене учестаности и скицирати их у комплексној равни. 3. Дефинисати индициону и Гринову функцију. 4. Извести изразе за одговарајуће индиционе и Гринове функције за напоне из претходне тачке припреме. 5. Дефинисати појам временске константе. Одредити временске константе за кола приказана на сликама. 6. Могу ли се успоставити везе између временских константи и сопствених учестаности кола? 7. Уколико кола побуђујемо напонским импулсним генераторима, колика треба бити вриједност периода понављања PER и ширине импулса PW, тако да одзив дође у устаљено стање прије наступања наредног импулса? У том случају, да ли одзив кола може помоћи у одређивању таласног облика индиционе функције? 8. Шта се дешава ако је ширина импулса мања од временске константе излазне величине? 9. Шта се дешава уколико поставимо веома малу ширину импулса тако да период понављања остане исти? Да ли се у том случају може одредити таласни облик Гринове функције? 1. Одредити граничну вриједност отпорника за коло на слици 3. тако да наступи критичан режим.
Рад у лабораторији 1. Помоћу програма Capture CIS извршити симулацију електричног кола приказаног на слици 1. Снимити таласне облике излазних напона за сваки 1V, PW = 3µs, PER = 6µs, трајање симулације 3ms, 1V, PW =.1µs, PER = 3µs, трајање симулације 3ms, c. генератор VPULSE, TD = s, TR =.1µs, TF =.1µs, V1 = V, V2 = 1V, PW = 1µs, PER = 2µs, трајање симулације 1µs, d. генератор VSIN, VOFF = V, VAMPL = 1V, FREQ = 5kHz, трајање симулације 1µs. 1k V1 = V V2 = 1V PW = 3us PER = 6us V1 V1 = V V2 = 1V PW = 3us PER = 6us V1 1k Слика 1. Слика 2. 2. Помоћу програма Capture CIS извршити симулацију електричног кола приказаног на слици 2. Снимити таласне облике излазних напона за сваки 1V, PW = 3µs, PER = 6µs, трајање симулације 3ms, 1V, PW =.1µs, PER = 3µs, трајање симулације 3ms, c. генератор VPULSE, TD = s, TR =.1µs, TF =.1µs, V1 = V, V2 = 1V, PW = 1ms, PER = 2ms, трајање симулације 5ms, d. генератор VSIN, VOFF = V, VAMPL = 1V, FREQ = 1kHz, трајање симулације 5ms. 3. Помоћу програма Caprure CIS извршити симулацију електричног кола приказаног на слици 3. Снимити таласне облике излазних напона за сваки 1V, PW = 15µs, PER = 3µs, трајање симулације 1.2ms, R = 33Ω,
1V, PW =.1µs, PER = 3µs, трајање симулације 1.2ms, R = 33Ω, c. генератор VPULSE, TD = s, TR =.1µs, TF =.1µs, V1 = V, V2 = 1V, PW = 15µs, PER = 3µs, трајање симулације 1.2ms, R = 5kΩ, d. генератор VPULSE, TD = s, TR =.1µs, TF =.1µs, V1 = V, V2 = 1V, PW =.1µs, PER = 3µs, трајање симулације 1.2ms, R = 5 kω. L1 1 2 V1 = V V2 = 1V PW = 15us PER = 3us V1 2.8mH Слика 3. 33 4. Помоћу програма Caprure CIS извршити симулацију електричног кола приказаног на слици 3. Снимити таласне облике излазних напона за сваки 1V, PW = 15µs, PER = 3µs, трајање симулације 1.2ms, 1V, PW =.1µs, PER = 3µs, трајање симулације 1.2ms, R3 1k E1 V1 = V V1 + V2 = 1V R2 - - + 1k E PW = 15us PER = 3us Слика 4. 1k Да би се приступило изради лабораторијске вјежбе, потребно је имати самостално урађену припрему! У ивјештај о изради лабораторијске вјежбе треба да буду укључени сви прорачуни, резултати симулација и графици.