Univerzitet u Banjoj Luci Elektrotehnički fakultet Katedra za opštu elektrotehniku Laboratorijske vježbe iz predmeta: Osnovi elektrotehnike 2 Prva vježba Simulacija električnih kola Student: Broj indeksa:
Uvod Prilikom projektovanja elektronskih sklopova verifikacija idejnog rješenja predstavlja važan korak prije fizičke realizacije, za šta postoji veliki broj namjenskih programskih paketa. Većina programskih paketa za simulaciju električnih kola je bazirana na Spice-u, programu koji za modelovanje elektronskih kola koristi modifikovanu metodu potencijala čvorova. Njegova varijanta za korištenje na personalnim računarima PSpice predstavlja osnovu popularnih programskih paketa, kao što su OrCAD, LTSpice, IV, 5Spice itd. OrCAD je programski paket koji objedinjuje različite alate neophodne za projektovanje i simulaciju analognih elektronskih kola, projektovanje i logičku analizu digitalnih elektronskih kola, analizu analogno-digitalnih kola, projektovanje štampanih ploča, itd. Medu velikim brojem programa koje ovaj paket sadrži, za simulaciju analognih električnih kola se koristi Capture CIS (Component Information System), program koji sadrži informacije o matematičkim modelima elemenata koji se koriste, dok se za grafički prikaz rezultata simulacije koristi program PSpice A/D. Capture CIS je baziran na jednoj verziji PSpice-a u kojoj je, da bi se mogla izvršiti simulacija, neophodno opisati topološke i numeričke karakteristike električnih kola. Topološke karakterisitke kola nam govore o tome na koji način su povezani različiti elementi u kolu, npr. da li su otpornici vezani serijski ili paralelno. Da bi se simulacija mogla izvršiti potrebno je zadati sve vrijednosti parametara elemenata u kolu (sve otpornosti otpornika, kapacitivnosti kondenzatora, elektromotorne sile generatora, itd.). Za opisivanje topoloških karakteristika kola Capture CIS se oslanja na metodu potencijala čvorova, tako što svaki čvor obilježava posebnom labelom. Svakom elementu koji se nalazi u kolu se pridružuju labele čvorova izmedu kojih je vezan taj element, kao i numeričke vrijednosti parametara tog elementa. Takode, potrebno je definisati kakvu vrstu simulacije treba izvršiti, tj. da li treba izvršiti analizu u jednosmjernom (DC 1 ) ili naizmjeničnom (AC 2 ) režimu, frekventnu analizu, itd. Vrsta analize se definiše u posebnom simulacionom profilu. Dakle, programu je potrebno definisati šta (topologija električnog kola) i kako (vrsta električnog kola) simulirati. Cilj ove laboratorijske vježbe jeste upoznavanje sa programom Capture CIS, zatim kreiranje novog projekta, projektovanje elektronskih kola, definisanje simulacionog profila za rad u DC režimu i odgovarajuća interpretacija dobijenih rezultata. 1 Direct Current 2 Alternative Current 1
Uputstvo za kreiranje projekta i simulaciju Za kreiranje projekta i simulaciju kola u DC režimu potrebno je uraditi sljedeće korake: 1. Pokrenuti program Capture CIS 2. Kreirati novi projekat odabirom menija File - New Project. U dijaloškom boksu dati naziv projektu i obavezno odabrati lokaciju gdje će se projekat snimiti. Preporuka je da se za svaki projekat kreira novi folder, jer se prilikom simulacije kreira nekoliko različitih fajlova. Kako bi se simulacija mogla izvršiti potrebno je izabrati tip projekta Analog and Mixed Circuit Wizard. Neke verzije programa nude opciju da se kreira hijerarhijski projekat ili prazan (blank) projekat. Da bi se pravilno izvršila simulacija potrebno je izabrati prazan projekat. Slika 1: Kreiranje projekta 3. Prilikom kreiranja projekta pojedine verzije programa ponude opciju uključivanja biblioteka u projekat, što je moguće učiniti i kasnije. Za osnovne vrste simulacija 3 potrebne su biblioteke: (a) ANALOG, biblioteka koja sadrži modele pasivnih elemenata, (b) SOUCE, biblioteka u kojoj se nalaze modeli različitih vrsta naponskih i strujnih izvora napajanja, (c) OPAMP, biblioteka sa modelima operacionih pojačavača, (d) SPECIAL, biblioteka sa specijalnim elementima. Program ponekad neće ponuditi ovu opciju pa je biblioteke potrebno ubaciti naknadno. 4. Nakon kreiranja projekta može se sastaviti odgovarajuća električna šema koju je potrebno simulirati. Da bi se ubacili elementi kola na radnu površinu potrebno je izabrati opciju Place - Part nakon čega se otvara dijaloški boks sa mogućim izborom elemenata po bibliotekama. Ukoliko je potrebno koristiti novu biblioteku potrebno je izabrati opciju Add Library. 3 Simulacije jednosmjernog i naizmjeničnog režima analognih i digitalnih kola. 2
Slika 2: Odabir biblioteka 5. Izabrani element se može postaviti na radnu površinu proizvoljan broj puta. Važno je napomenuti da nije dozvoljeno da nekoliko elemenata nosi isto ime. Ukoliko je potrebno izvršiti rotaciju elementa, nakon što se selektuje može se pritisnuti taster na tastaturi ili odabrati opciju otate iz menija koji se dobija klikom na desni taster miša. Nakon postavljanja potrebnog broja elemenata, pritiskom na taster Esc ili odabirom opcije End Mode se završava rad sa odabranim elementom. Vrijednost parametara elemenata (otpornost otpornika, elektromotorna sila generatora,...) se zadaje dvostrukim klikom na opciju Value. Dimenziju nije potrebno zadavati, dok se za veoma male ili veoma velike vrijednosti mogu se koristiti prefiksi dati u Tabeli 1. Tabela 1: Prefiksi koji se koriste u programu Capture CIS Prefiks Naziv Vrijednost F/f femto 10 15 P/p piko 10 12 N/n nano 10 9 U/u mikro 10 6 M/m mili 10 3 K/k kilo 10 3 MEG/meg mega 10 6 G/g giga 10 9 T/t tera 10 12 6. Povezivanje elemenata se vrši odabirom opcije Place - Wire. Za povezivanje dva elementa potrebno je kliknuti na jedan kraj prvog elementa nakon čega se pomjeranjem miša pojavila linija, tj. žica koju treba spojiti sa drugim elementom. Da bi se simulacija mogla izvršiti svi elementi moraju biti povezani. 7. Pošto je PSpice zasnovan na modifikovanoj metodi potencijala čvorova, za izvršenje simulacije je potrebno definisati referentnu tačku, odnosno tačku nultog potencijala. Potrebno 3
je izabrati opciju Place - Ground, pa izabrati element 0 iz biblioteke SOUCE. Nula se tretira kao i svaki drugi element i potrebno ju je povezati na željeno mjesto na električnoj šemi. Slika 3: Postavljanje referentnog čvora 8. Jedan od važnih segmenata simulacije jeste odabir odgovarajućeg izvora napajanja. U slučaju simulacija u vremenskom domenu najčešće se koriste (a) DC generatori (naponski VDC ili strujni IDC), gdje je potrebno zadati vrijednosti napona ili struje, (b) generatori sinusnog talasnog oblika (VSIN ili ISIN) gdje se zadaje amplituda, frekvencija, početna faza, itd. (c) impulsni generatori (VPULSE ili IPULSE) koji se koriste za simulaciju različitih impulsnih funkcija. 9. Nakon kreiranja električnog kola, postavljanja svih vrijednosti pasivnih elemenata, elektromotornih sila generatora, te povezivanja, potrebno je definisati vrstu i karakteristiku simulacije. Potrebno je definisati koji tip simulacije treba da se izvrši, što se radi kreiranjem odgovarajućeg simulacionog profila. Slika 4: Simulacioni profil 4
10. Simulacioni profil se kreira odabirom opcije PSpice - New Simulation Profile. Kreiranjem profila se otvara dijaloški boks Simulation Settings. Odabir tipa simulacije se radi iz menija Analysis Type. Za analizu u jednosmjernom režimu se koriste Bias Point i DC Sweep. U drugom slučaju radi se o parametarskoj analizi na osnovu nekog od elemenata kola (generatora ili otpornosti) koji se definiše kao Sweep Variable. Ukoliko se analiza vrši u odnosu na naponski generator, definiše se Voltage Source kao promjenljivi generator tako što se navodi njegovo ime iz projekta (npr. V1). U tom slučaju vrši se više simulacija da bi se dobila prelazna karakteristika kola. Promjenu simulacionog profila je moguće izvršiti odabirom opcije PSpice - Edit Simulation Profile. 11. Ulogu mjernih instrumenata imaju odgovarajući markeri, pa se u kolo mogu postaviti naponski markeri koji mjere potencijal tačke u odnosu na referentnu tačku, i diferencijalni markeri koji mjere razliku potencijala izmedu dvije tačke. Strujni markeri koji mjere intenzitet struje se postavljaju na spoju žice i elementa. Markeri snage se postavljaju direktno na element na kojem se mjeri disipacija snage. 12. Izvršavanje simulacije se pokreće odabirom opcije PSpice - un. Ukoliko nije napravljena greška prilikom kreiranja kola i postavljanja parametara simulacionog profila, otvoriće se novi prozor sa grafičkim prikazom rezultata simulacije u skladu sa postavljenim markerima. U slučaju Bias Point simulacije nema potrebe za postavljanjem markera veće se potencijali čvorova i struje kroz elemente mogu prikazati odabirom opcija Enable Bias Voltage Display i Enable Bias Current Display iz grafičkog menija. Sa Slike 5 vidimo da je pored svakog čvora ispisana vrijednost potencijala u odnosu na referentni čvor. Takode, pored svakog elementa nalazi se vrijednost struje koja protiče kroz taj element i to sa strane sa koje struja ulazi u element. 95.00mA 1 200-12.00V 95.00mA V1 12 7.000V I1 25m 25.00mA 4 10.00mA 2 300 4.000V 10.00mA V3 V2 7 80.00mA 0 0V Slika 5: ezultati Bias Point simulacije 5
Priprema za vježbu Zadatak 1. Šta je to Tevenenov, a šta Nortonov generator? Kako se računaju vrijednosti parametara ovih generatora? Zadatak 2. Kako se vrši pretvaranje realnog naponskog u realni strujni generator? Zadatak 3. Definisati teoremu superpozicije i teoremu o prilagodenju po snazi. Zadatak 4. Za električno kolo prikazano na Slici 6 odrediti parametre Tevenenovog generatora izmedu tačaka A i B, ako je poznato E = 10 V i = 1 kω. A E + Slika 6: Električno kolo uz četvrti zadatak B Odgovori 6
ad u laboratoriji Zadaci za rad u laboratoriji: 1. Pokrenuti program Capture CIS i kreirati novi projekat. Povezati električnu šemu prikazanu na Slici 6 i izmedu tačaka A i B povezati otpornik otpornosti p = 2 kω. Tačka B treba da bude na nultom potencijalu. 2. Kreirati simulacioni profil i izvršiti Bias Point simulaciju. Kolika je struja kroz otpornik otpornosti p? 3. Podesiti simulacioni profil na DC Sweep analizu, pri čemu je potrebno mijenjati elektromotornu silu naponskog generatora E (u polje Voltage Source je potrebno unijeti njegovu odgovarajuću oznaku sa šeme). Elektromotronu silu mijenjati u granicama od 0 V do 10 V sa inkrementom od 0,1 V i prikazati promjenu struje kroz otpornik otpornosti p pomoću odgovarajućeg markera. Kakva je zavisnost struje I p od elektromotorne sile E? 4. Pogodnim odabiranjem otpornosti p i primjenom Bias Point simulacije, odrediti parametre Tevenenovog generatora 4 izmedu tačaka A i B kola sa Slike 6. Tačka B treba da bude na nultom potencijalu. 5. Za električno kolo sa Slike 7 izvršiti Bias Point simulaciju u slučajevima kada su uključeni samo generatori I g1, odnosno I g2. Koliki su naponi izmedu tačaka A i B? Koliki je napon izmedu tih tačaka ako se izvrši simulacija sa oba generatora? Svi otpornici na slici imaju otpornost = 1 kω a generatori imaju vrijednosti I g1 = 2 ma i I g2 = 5 ma. A I g1 I g2 B Slika 7: Električno kolo uz peti zadatak 6. Parametarska simulacija Za električno kolo prikazano na Slici 8 potrebno je izvršiti parametarsku simulaciju sa promjenom otpornosti otpornika p i utvrditi za koju otpornost se na tom otporniku disipira najveća snaga. Da bi se izvršila parametarska simulacija potrebno je na odgovarajući način definisati simulacioni profil. Prije svega potrebno je otpornost otpornika p definisati kao promjenljivu veličinu. To se radi tako što se umjesto numeričke vrijednosti definiše labela u vitičastim zagradama, npr. {}. Zatim je potrebno postaviti podrazumjevajuću vrijednost otpornosti otpornika p jer bez nje nije moguće izvršiti simulaciju. Iz biblioteke SPECIAL se bira element Param i postavlja negdje na šemi. Dvostrukim lijevim klikom na Param se otvara njegov Property Editor, pa se odabirom opcije New Column definiše podrazumjevajuća otpornost otpornika, npr. = 100 Ω (dimenziju nije potrebno navoditi). Simulacioni profil za DC Sweep analizu se podešava tako što se kao promjenljiva bira globalni parametar i u ovom slučaju obilježava sa. Simulaciju je potrebno izvršiti za vrijednosti otpornosti od 100 Ω do 1 kω. Da bi se pokazala zavisnost snage od promjene otpornosti, na element se stavlja marker snage ili se 4 Treba izvršiti simulaciju praznog hoda i kratkog spoja 7
u PSpice A/D prozoru bira opcija Trace - Add trace gdje se izabere odgovarajuća snaga na otporniku. Za koju otpornost je snaga maksimalna i zašto? 500 Ω 100 Ω 100 Ω 300 Ω p 10 V +. 100 Ω Slika 8: Električno kolo uz šesti zadatak 7. Punjenje kondenzatora Potrebno je prikazati talasni oblik napona na kondenzatoru prilikom uključenja DC generatora u kolu na Slike 9. Da bi se izvršila ova simulacija 500 Ω 5 V + 500 Ω 4.7 nf Slika 9: Električno kolo uz sedmi zadatak posmatraće se napon na kondenzatoru kao funkcija vremena u c (t). DC generator treba definisati kao impulsni (VPULSE) i to sa sljedećim parametrima: (a) V 1 = 0 V početni napon prije uključenja, (b) V 2 = 5 V napon poslije uključenja, (c) T D = 1 µs kašnjenje uključenja generatora, (d) T = 0 s vrijeme potrebno za uključenje, (e) TF = 0 s vrijeme potrebno za isključenje, (f) PW = 10 µs širina impulsa, i (g) P E = 11 µs period ponvaljanja impulsa. Parametri su izabrani tako da se simulira uključenje DC generatora od 5 V sa zakašnjenjem od 1 µs, pa parametri vezani za ponavljanje impulsa nisu od većeg interesa u ovoj simulaciji. Simulacioni profil se podešava na Time Domain (Transient), gdje se koriste vrijednosti 11 µs za un to time (vrijeme izvršavanja) i 1 ns za Maximum step size (korak iteracije). Potrebno je prikazati vremenske oblike napona na kondenzatoru i napona na generatoru pomoću odgovarajućih markera. Šta je to vremenska konstanta i koliko ona iznosi u ovom slučaju? Koliko je potrebno da bi se kondenzator napunio? 8
ezultati i izvodenja 9