Дж. Кеоун - OrCAD PSpice. Анализ электрических цепей

• Название: OrCAD PSpice. Анализ электрических цепей
• Автор: Дж. Кеоун
• Жанр: Программы
• Год: 2008
• ISBN: 978-5-9706-0009-2

Это руководство по работе в программе OrCAD Pspice предназначено для всех, кто знаком с основными разделами электротехники. При постепенном усложнении задач объясняются все необходимые аспекты работы в OrCAD Pspice, что позволяет творчески применять их при дальнейшем анализе электрических и электронных схем и устройств. Рассмотрение материала начинается с анализа цепей постоянного тока, продолжается анализом цепей переменного тока, затем переходит к различным разделам полупроводниковой электроники. Информация изложена таким образом, чтобы каждый, кто изучал или изучает определенный раздел электротехники, мог сразу же использовать OrCAD Pspice на практике. Больше внимания, чем в других книгах по этой теме, уделяется созданию собственных моделей и использованию встроенных моделей схем в OrCAD Pspice.

На прилагаемом к книге DVD вы найдете демонстрационную версию программы OrCAD PSpice Student Edition 9, которой можно пользоваться свободно. Кроме того, на диске размещена версия OrCAD 10.5 Demo Release, с которой можно работать в течение 30 дней после установки на компьютер.

---

V   -1.333E-02

TOTAL POWER DISSIPATION 1.33E-01 WATTS

**** OPERATING POINT INFORMATION TEMPERATURE = 27.000 DEG С

**** VOLTAGE-CONTROLLED VOLTAGE SOURCES

NAME     E

V-SOURCE 6.667E+00

I-SOURCE 6.856E-03

**** SMALL-SIGNAL CHARACTERISTICS

V(3)/V = 6.410E-01

INPUT RESISTANCE AT V = 7.500E+02

OUTPUT RESISTANCE AT V(3) = 3.846E+01

Рис. 1.22. Выходной файл для схемы на рис. 1.21

Выходной файл дает значение входного сопротивления в 750 Ом. Это просто отношение V к I12. Для определения выходного сопротивления каждый из источников питания необходимо закоротить. При закорачивании узлов 2 и 0 параллельное соединение R3 и RL дает сопротивление 8,46 Ом.

На рис 1.23 показана модификация схемы, для которой входной файл имеет вид:

Another Voltage-Controlled Voltage Sources

V 1 0 10V

E 2 0 1 2 2

R1 1 2 250

R2 2 0 100k

R3 3 4 40

RL 4 0 1k

.OP

.OPT nopage

.TF V(4) V

.END

Рис. 1.23. К исследованию схемы с источником напряжения, управляемым напряжением

В этой упрощенной схеме легче рассчитать усилитель напряжения. Ток в левом контуре равен:

Падение напряжения на R2 равно:

V2 = Va = I12R2 =(99,75 мкА)(100 кОм) = 9,975 В;

и

Е = 2Va = (2) (9,75 В) = 19,95 В.

Из выходного файла находим V(2)=9,9751 В, V(3)=19,95 В и V(4)=19,183 В. Ток через источник питания V составляет 99,75 мкА, а ток через источник Е равен -19,18 мА. Знак минус показывает, что ток внутри источника течет от минуса к плюсу.

Источник напряжения, управляемый током

Данный источник напряжения управляется током в какой либо ветви схемы, как показано на рис. 1.24. Зависимый источник имеет значение 0,5I, где I — ток через резистор R1. Ток протекает от узла 1 к узлу 2. Положительный полюс зависимого источника напряжения подключен к узлу 3, что дает в правом контуре направление тока по часовой стрелке. Это необходимо отметить, поскольку направление токов играет важную роль в расчетах.

Рис. 1.24. Схема с источником напряжения, управляемым током

Схему несложно рассчитать. В левом контуре источник в 15 В создает ток I=V/(R1+R2)=15/(10+5)=1 А. Зависимый источник напряжения обозначен как 0,5I. Его ток будет 0,5·1=0,5 В. Таким образом, V30=0,5 В. Как вдруг появилась размерность напряжения? Дело в том, что коэффициент k не безразмерный, он имеет размерность Ом. В общем, для этого источника напряжения, управляемого током (ИНУТ), следует применить запись kI. Коэффициент к выражается в омах, поэтому произведение k и I даст вольты.

Ток в правом контуре находится как IL=0,5/(25+25)=10 мА, а напряжение V40=ILRL=0,25 В.

Используя PSpice, решим эту задачу в качестве подготовки к расчету другой, более сложной схемы. Входной файл содержит командную строку для описания ИНУТ (CDVS — Current-Dependent Voltage Source) и имеет следующий вид:

Circuit with Current-Dependent Voltage Sources

V 1 0 15V

H 3 0 V -0.5

R1 1 2 10

R2 2 0 5

R3 3 4 25

R4 4 0 25

.OP

.OPT nopage

.TF V(4) V

.END 

Внимательно следите за тем, чтобы командная строка для ИНУТ начиналась с символа Н. На той же строке 3 и 0 означают номера положительного и отрицательного полюсов источника питания. Следующий символ V обозначает независимый источник, через который протекает управляющий ток I. И последней записью этой строки является –0,5. Здесь 0,5 — величина коэффициента k, а знак «минус» требует пояснения. В SPICE ток источника напряжения (например ток через V) положителен, если внутри источника он течет от плюса к минусу. Поскольку управляющий ток течет в обратном направлении, коэффициент k в источнике H отрицателен. Если знак «минус» будет опущен, напряжения V(3) и V(4) будут иметь в выходном файле неверные знаки. 

Если вы уверены, что готовы продолжать, запустите анализ на PSpice и получите выходной файл. Отметим, что V(3)=0,5 В и V(4)=0,25 В. Ток источника V равен I=-1,0 А. Это означает, что ток течет от плюса источника V и на рис. 1.24 он положителен. Таким образом, положительно и V(3).

Вспомним также, что значение, показанное в выходном файле, равно просто VI, а не представляет собой действительную полную мощность. В разделе выходного файла, названном Current-Controlled Voltage Sources, имеется две строки ввода. Первая вводит источник V c напряжением 0,5 В. Это — значение напряжения независимого источника напряжения. Сложнее запись второй строки, которая дает значение тока -10 мА. Можете вы понять, что это означает? Это означает, что ток через ИНУТ равен 10 мА и протекает внутри источника от плюса к минусу, в соответствии с соглашением Spice относительно тока источника, которое мы уже знаем. Входное напряжение относительно V в выходном файле рано 15 Ом, выходное сопротивление относительно V(4) составляет 12,5 кОм.

Источник тока, управляемый током

Другим типом зависимых источников, который часто применяется в электронике, является источник тока, управляемый током (ИТУT) (Current-Controlled Current Source (CCCS) или Current-Dependent Current Source (CDCS)).

На рис. 1.25 показана базовая схема. Значение источника тока равно 3I, где I — ток через резистор R1. Как и в предыдущем примере, ток протекает от узла 1 к узлу 2, по часовой стрелке в левом контуре. Коэффициент 3I обычно задается как kI, где k — множитель для опорного тока, протекающего в одной из ветвей цепи. Нетрудно установить, что при I=2 А в левом контуре ток через F будет равен 3·2=6 А и проходит в направлении, указанном стрелкой внутри F.

Рис. 1.25. Схема с источником тока, управляемым током 

В этом примере мы можем получить для I=20/(1500+2500)=5 мА, как и для тока в левом контуре. Ток в F при этом равен 3·5 мА=15 мА (направлен вниз по стрелке). Этот ток делится поровну между R3 и R4, по 7,5 мА через каждый резистор. Ток идет от узла 1 к узлу 3, обеспечивая узлу 3 отрицательный потенциал. Напряжение V(3)=-500·7,5 мА=–3,75 В.

В качестве прелюдии к исследованию более сложной схемы с зависимым источником, рассмотрим, как выглядит входной файл для схемы на рис. 1.25:

Current-Controlled Current Sources

V 1 0 20V

F 3 0 V -3

R1 1 2 1500

R2 2 0 2500

R3 3 0 500

R4 3 0 500

.OP

.OPT nopage

.TF V(3) V

.END

Ваш выходной файл должен показать что V(2)=12,5 В и V(3)=-3,75 В. Под заголовком Current-Controlled Current Sources расположена строка ввода тока источника F, дающая значение 15 мА. Поскольку он втрое больше тока в левом контуре, это значение правильное. Положительное значение показывает, что ток направлен от узла 3 к узлу 0 внутри F. Необходимо показать соответствующее значение для F в команде входного файла. На строке, описывающей F, заданы два значения для начального и конечного узла (по стрелке внутри F). Следующее значение V относится к источнику напряжения, который обеспечивает управляющий ток I. Этот ток I входит в выражение для выходного тока источника kI. Коэффициент k является множителем при I, он не имеет размерности. В этом примере к имеет значение -3, которое описывает ток через источник V так же, как в различных предыдущих примерах. Внимательно изучите этот простой пример, поскольку здесь часто возникают ошибки. Освоив этот простой пример, вы будете в состоянии моделировать и более сложные схемы.

В выходном файле для RIN дано значение 4 кОм, которое, очевидно, верно. Обычно также интересно и выходное сопротивление ROUT=250 Ом. В самой правой части схемы на рис. 1.25 мы видим два параллельно соединенных сопротивления R3 и R4, которые и образуют выходное сопротивление при неактивном (разомкнутом) источнике тока.

Другие источники тока, управляемые током