Lehrbuch

Computersimulation von elektrischen Schaltungen

Einführung in LTSpice und Gedöns zu Quick Charge 2 (Elektronik #85) (Dezember 2018).

Anonim

Computersimulation von elektrischen Schaltungen

Kapitel 2 - Ohmsches Gesetz


Computer können mächtige Werkzeuge sein, wenn sie richtig verwendet werden, insbesondere in den Bereichen Wissenschaft und Technik. Software existiert für die Simulation von elektrischen Schaltungen durch Computer, und diese Programme können sehr nützlich sein, Schaltungsentwicklern zu helfen, Ideen zu testen, bevor sie tatsächlich Schaltungen erstellen, was viel Zeit und Geld spart.

Dieselben Programme können fantastische Hilfsmittel für den Anfänger der Elektronik sein, die die Erforschung von Ideen schnell und einfach ohne die Montage von realen Schaltungen ermöglichen. Natürlich gibt es keinen Ersatz für das tatsächliche Bauen und Testen von realen Schaltungen, aber Computersimulationen unterstützen sicherlich den Lernprozess, indem sie dem Schüler erlauben, mit Veränderungen zu experimentieren und deren Auswirkungen auf Schaltungen zu sehen. In diesem Buch werde ich häufig Computerausdrucke aus der Schaltungssimulation einbauen, um wichtige Konzepte zu veranschaulichen. Durch Beobachtung der Ergebnisse einer Computersimulation kann ein Schüler ein intuitives Verständnis des Schaltkreisverhaltens erlangen, ohne die abstrakte mathematische Analyse einzuschüchtern.

Um Schaltungen am Computer zu simulieren, verwende ich ein spezielles Programm namens SPICE, das eine Schaltung für den Computer durch eine Auflistung von Text beschreibt. Im Wesentlichen ist diese Auflistung eine Art Computerprogramm für sich und muss den syntaktischen Regeln der SPICE-Sprache entsprechen. Der Computer wird dann verwendet, um das SPICE-Programm zu verarbeiten oder zu "laufen", das die Textliste, die die Schaltung beschreibt, interpretiert und die Ergebnisse seiner detaillierten mathematischen Analyse auch in Textform ausgibt. Viele Details zur Verwendung von SPICE werden in Band 5 ("Referenz") dieser Buchreihe für diejenigen beschrieben, die weitere Informationen wünschen. Hier werde ich nur die grundlegenden Konzepte vorstellen und dann SPICE auf die Analyse dieser einfachen Schaltungen anwenden, über die wir gelesen haben.

Zuerst müssen wir SPICE auf unserem Computer installiert haben. Als kostenloses Programm ist es allgemein im Internet zum Download verfügbar und in Formaten, die für viele verschiedene Betriebssysteme geeignet sind. In diesem Buch verwende ich eine der früheren Versionen von SPICE: Version 2G6, wegen seiner Einfachheit der Verwendung.

Als nächstes brauchen wir eine Schaltung, die SPICE analysiert. Lassen Sie uns einen der oben in diesem Kapitel beschriebenen Schaltkreise ausprobieren. Hier ist das schematische Diagramm:

Diese einfache Schaltung besteht aus einer Batterie und einem direkt miteinander verbundenen Widerstand. Wir kennen die Spannung der Batterie (10 Volt) und den Widerstand des Widerstandes (5 Ω), aber nichts anderes über die Schaltung. Wenn wir diese Schaltung SPICE beschreiben, sollte sie uns (mindestens) sagen können, wie viel Strom wir in der Schaltung haben, indem wir das Ohmsche Gesetz (I = E / R) verwenden.

SPICE kann ein schematisches Diagramm oder irgendeine andere Form der grafischen Beschreibung nicht direkt verstehen. SPICE ist ein textbasiertes Computerprogramm und fordert, dass eine Schaltung in Bezug auf ihre Bestandteile und Verbindungspunkte beschrieben wird. Jeder eindeutige Verbindungspunkt in einer Schaltung wird für SPICE durch eine "Knoten" -Nummer beschrieben. Punkte, die in der zu simulierenden Schaltung elektrisch zueinander gehören, werden als solche bezeichnet, indem sie die gleiche Nummer teilen. Es könnte hilfreich sein, diese Zahlen als "Draht" -Nummern und nicht als "Knoten" -Nummern zu betrachten, die der Definition im vorherigen Abschnitt folgen. Auf diese Weise weiß der Computer, was mit was verbunden ist: durch die gemeinsame Nutzung von Kabeln oder Knoten. In unserem Beispielschaltkreis haben wir nur zwei "Knoten", den oberen Draht und den unteren Draht. SPICE verlangt, dass ein Knoten 0 irgendwo in der Schaltung ist, also werden wir unsere Drähte 0 und 1 beschriften:

In der obigen Abbildung habe ich mehrere "1" - und "0" -Etiketten um jeden Draht herum gezeigt, um das Konzept der gemeinsamen Punkte zu betonen, die gemeinsame Knotennummern teilen, aber dies ist immer noch ein grafisches Bild, keine Textbeschreibung. SPICE muss die Komponentenwerte und Knotennummern in Textform angeben, bevor eine Analyse fortgesetzt werden kann.

Zum Erstellen einer Textdatei auf einem Computer wird ein Programm verwendet, das als Texteditor bezeichnet wird . Ähnlich wie bei einem Textverarbeitungsprogramm ermöglicht Ihnen ein Texteditor, Text einzugeben und aufzuzeichnen, was Sie in Form einer Datei auf der Festplatte des Computers eingegeben haben. Text-Editoren fehlt die Formatierung von Textverarbeitungsprogrammen (nicht kursiv, fett oder

Zeichen), und das ist eine gute Sache, da Programme wie SPICE nicht wissen würden, was mit diesen zusätzlichen Informationen zu tun ist. Wenn wir eine reine Textdatei erstellen wollen, in der nichts aufgezeichnet ist, außer den von uns ausgewählten Tastaturzeichen, ist ein Texteditor das zu verwendende Werkzeug.

Wenn Sie ein Microsoft-Betriebssystem wie DOS oder Windows verwenden, sind einige Texteditoren mit dem System verfügbar. In DOS gibt es das alte Edit- Textbearbeitungsprogramm, das durch Eingabe von edit an der Eingabeaufforderung aufgerufen werden kann. In Windows (3.x / 95/98 / NT / Me / 2k / XP) ist der Notepad- Texteditor die richtige Wahl. Viele andere Textbearbeitungsprogramme sind verfügbar, und einige sind sogar kostenlos. Ich benutze zufällig einen Freitext-Editor namens Vim und führe ihn sowohl unter Windows 95 als auch unter Linux aus. Es spielt keine Rolle, welchen Editor du verwendest, also mach dir keine Sorgen, wenn die Screenshots in diesem Abschnitt nicht wie deine aussehen; Die wichtige Information hier ist, was Sie eingeben, nicht welchen Editor Sie verwenden.

Um diese einfache Zwei-Komponenten-Schaltung für SPICE zu beschreiben, beginne ich mit dem Aufruf meines Texteditorprogramms und tippe eine "Titel" -Zeile für die Schaltung ein:

Wir können die Batterie für den Computer beschreiben, indem Sie eine Textzeile eingeben, die mit dem Buchstaben "v" beginnt (für "Spannungsquelle") und angeben, an welcher Leitung die einzelnen Batterieklemmen angeschlossen sind (Knotennummern) und die Batteriespannung, so was:

Diese Textzeile sagt SPICE, dass wir eine Spannungsquelle zwischen Knoten 1 und 0 haben, Gleichstrom (DC), 10 Volt. Das ist alles, was der Computer in Bezug auf die Batterie wissen muss. Jetzt wenden wir uns dem Widerstand zu: SPICE verlangt, dass Widerstände mit einem Buchstaben "r", den Nummern der zwei Knoten (Verbindungspunkte) und dem Widerstand in Ohm beschrieben werden. Da es sich um eine Computersimulation handelt, ist es nicht erforderlich, eine Nennleistung für den Widerstand anzugeben. Das ist eine nette Sache über "virtuelle" Komponenten: Sie können nicht durch übermäßige Spannungen oder Ströme geschädigt werden!

Nun wird SPICE wissen, dass ein Widerstand zwischen den Knoten 1 und 0 mit einem Wert von 5 Ω verbunden ist. Diese sehr kurze Textzeile sagt dem Computer, dass wir einen Widerstand ("r") zwischen den gleichen zwei Knoten wie die Batterie (1 und 0) mit einem Widerstandswert von 5 Ω haben.

Wenn wir dieser Sammlung von SPICE-Befehlen eine .end-Anweisung hinzufügen, um das Ende der Schaltungsbeschreibung anzuzeigen, haben wir alle Informationen, die SPICE benötigt, gesammelt in einer Datei und bereit zur Verarbeitung. Diese Schaltungsbeschreibung, die aus Textzeilen in einer Computerdatei besteht, ist technisch als Netzliste oder Deck bekannt :

Sobald wir alle erforderlichen SPICE-Befehle eingegeben haben, müssen wir sie in einer Datei auf der Festplatte des Computers "speichern", sodass SPICE auf etwas verweist, wenn es aufgerufen wird. Da dies meine erste SPICE-Netzliste ist, speichere ich sie unter dem Dateinamen "circuit1.cir" (der tatsächliche Name ist willkürlich). Sie können wählen, Ihre erste SPICE-Netzliste etwas völlig anderes zu nennen, solange Sie keine Regeln für Dateinamen Ihres Betriebssystems verletzen, zum Beispiel nicht mehr als 8 + 3 Zeichen (acht Zeichen im Namen und drei Zeichen) in der Erweiterung: 12345678.123) in DOS.

Um SPICE aufzurufen (um den Inhalt der Netzlisten - Datei circuit1.cir zu verarbeiten), müssen wir den Texteditor verlassen und auf eine Eingabeaufforderung (die "DOS - Eingabeaufforderung" für Microsoft - Benutzer) zugreifen, wo wir Textbefehle für den Benutzer eingeben können Betriebssystem des Computers zu befolgen. Diese "primitive" Art, ein Programm aufzurufen, mag für Computerbenutzer, die an eine grafische "Zeigen-und-Klicken" -Umgebung gewöhnt sind, archaisch erscheinen, aber es ist eine sehr mächtige und flexible Art, Dinge zu tun. Denken Sie daran, was Sie hier mit SPICE tun, ist eine einfache Form der Computerprogrammierung, und je bequemer Sie dem Computer Textanweisungen geben, denen Sie folgen müssen - im Gegensatz zum einfachen Klicken auf Bilder mit der Maus - desto mehr Beherrschung, die Sie über Ihren Computer haben werden.

Geben Sie an einer Eingabeaufforderung diesen Befehl ein, gefolgt von einem (Eingabe-) Tastenanschlag (in diesem Beispiel wird der Dateiname circuit1.cir verwendet; wenn Sie einen anderen Dateinamen für Ihre Netzlistendatei gewählt haben, ersetzen Sie ihn):

 würzen <circuit1.cir 

So sieht das auf meinem Computer aus (mit dem Linux-Betriebssystem), kurz bevor ich die (Enter) -Taste drücke:

Sobald Sie die Taste (Enter) drücken, um diesen Befehl auszugeben, sollte Text aus der SPICE-Ausgabe auf dem Computerbildschirm angezeigt werden. Hier ist ein Screenshot, der zeigt, was SPICE auf meinem Computer ausgibt (Ich habe das "Terminal" -Fenster verlängert, um Ihnen den vollständigen Text zu zeigen. Bei einem normalen Terminal übersteigt der Text leicht eine Seitenlänge):

SPICE beginnt mit einer Wiederholung der Netzliste, komplett mit Titelzeile und .end-Anweisung. Ungefähr nach der Hälfte der Simulation zeigt es die Spannung an allen Knoten mit Bezug auf Knoten 0 an. In diesem Beispiel haben wir nur einen Knoten außer Knoten 0, so dass dort die Spannung angezeigt wird: 10.0000 Volt. Dann zeigt es den Strom durch jede Spannungsquelle an. Da wir nur eine Spannungsquelle in der gesamten Schaltung haben, zeigt sie nur den Strom durch diese an. In diesem Fall beträgt der Quellenstrom 2 Ampere. Aufgrund einer Eigenart, in der SPICE den Strom analysiert, wird der Wert von 2 Ampere als negative (-) 2 Ampere ausgegeben.

Die letzte Textzeile im Analysebericht des Computers ist die "Gesamtverlustleistung", die in diesem Fall als "2, 00E + 01" Watt angegeben ist: 2, 00 × 10 1 oder 20 Watt. SPICE gibt die meisten Zahlen in wissenschaftlicher Notation anstatt in normaler (Festkomma-) Notation aus. Während dies auf den ersten Blick verwirrender erscheinen mag, ist es tatsächlich weniger verwirrend, wenn sehr große oder sehr kleine Zahlen beteiligt sind. Die Einzelheiten der wissenschaftlichen Notation werden im nächsten Kapitel dieses Buches behandelt.

Einer der Vorteile der Verwendung eines "primitiven" textbasierten Programms wie SPICE besteht darin, dass die behandelten Textdateien im Vergleich zu anderen Dateiformaten extrem klein sind, insbesondere zu Grafikformaten, die in anderen Schaltungssimulationssoftware verwendet werden. Da die Ausgabe von SPICE in Klartext erfolgt, können Sie die Ausgabe von SPICE auch in eine andere Textdatei leiten, wo sie weiter bearbeitet werden kann. Um dies zu tun, geben wir einen Befehl an das Betriebssystem des Computers zurück, um SPICE aufzurufen. Diesmal wird die Ausgabe in eine Datei umgeleitet, die ich "output.txt" nennen werde:

SPICE läuft dieses Mal "still", ohne dass der Text wie zuvor auf dem Computer ausgegeben wird. Es wird eine neue Datei, output1.txt, erstellt, die Sie mit einem Texteditor oder Textverarbeitungsprogramm öffnen und ändern können. Für diese Illustration benutze ich denselben Texteditor ( Vim ), um diese Datei zu öffnen:

Nun kann ich diese Datei frei editieren und überflüssigen Text (wie zB die "Banner" mit Datum und Uhrzeit) löschen, so dass nur noch der Text übrigbleibt, der für meine Analyse relevant ist:

Wenn der Text unter dem gleichen Dateinamen (Ausgabe.txt in diesem Beispiel) entsprechend bearbeitet und erneut gespeichert wurde, kann er in jede Art von Dokument eingefügt werden, wobei "normaler Text" ein universelles Dateiformat für fast alle Computersysteme ist. Ich kann es sogar direkt in den Text dieses Buches aufnehmen - und nicht als "Screenshot", ein grafisches Bild - wie dieses:

 meine erste Schaltung v 1 0 dc 10 r 1 0 5. Endknoten Spannung (1) 10.0000 Spannungsquelle Ströme Name Strom v -2.000E + 00 Gesamtverlustleistung 2.00E + 01 Watt 

Dies ist übrigens das bevorzugte Format für die Textausgabe von SPICE-Simulationen in dieser Buchreihe: als realer Text, nicht als grafische Screenshot-Bilder.

Um einen Komponentenwert in der Simulation zu ändern, müssen wir die Netzlisten-Datei (circuit1.cir) öffnen und die erforderlichen Änderungen in der Textbeschreibung der Schaltung vornehmen, dann diese Änderungen unter dem gleichen Dateinamen speichern und SPICE bei erneut aufrufen die Eingabeaufforderung. Dieser Prozess des Editierens und Verarbeitens einer Textdatei ist jedem Computerprogrammierer vertraut. Einer der Gründe, warum ich SPICE unterrichten möchte, ist, dass es den Lernenden darauf vorbereitet, wie ein Computerprogrammierer zu denken und zu arbeiten, was gut ist, weil Computerprogrammierung ein bedeutender Bereich fortgeschrittener Elektronikarbeit ist.

Zuvor haben wir die Folgen der Änderung einer der drei Variablen in einer elektrischen Schaltung (Spannung, Strom oder Widerstand) mit dem Ohmschen Gesetz untersucht, um mathematisch vorherzusagen, was passieren würde. Nun versuchen wir es mit SPICE, um die Mathematik für uns zu berechnen.

Wenn wir die Spannung in unserer letzten Beispielschaltung von 10 auf 30 Volt verdreifachen und den Schaltungswiderstand unverändert lassen würden, würden wir erwarten, dass sich der Strom ebenfalls verdreifacht. Lassen Sie uns dies versuchen, benennen Sie unsere Netzlistendatei um, um die erste Datei nicht zu überschreiben. Auf diese Weise werden wir beide Versionen der Schaltungssimulation für zukünftige Verwendung auf der Festplatte unseres Computers gespeichert haben. Die folgende Textauflistung ist die Ausgabe von SPICE für diese modifizierte Netzliste, formatiert als reiner Text und nicht als grafisches Bild meines Computerbildschirms:

 zweites Beispiel Schaltung v 1 0 dc 30 r 1 0 5. Endknoten Spannung (1) 30.0000 Spannungsquelle Ströme Name Strom v -6.000E + 00 Gesamtverlustleistung 1.80E + 02 Watt 

Wie wir erwartet hatten, verdreifachte sich der Strom mit der Spannungserhöhung. Strom war früher 2 Ampere, jetzt hat er sich auf 6 Ampere erhöht (-6.000 x 10 0 ). Beachten Sie auch, wie die Gesamtverlustleistung in der Schaltung zugenommen hat. Es war vorher 20 Watt, jetzt aber 180 Watt (1, 8 x 10 2 ). Wenn man sich daran erinnert, dass die Kraft mit dem Quadrat der Spannung zusammenhängt (Joule'sches Gesetz: P = E 2 / R), ist das sinnvoll. Wenn wir die Schaltungsspannung verdreifachen, sollte die Leistung um einen Faktor von neun (3 2 = 9) zunehmen. Neun mal 20 ist in der Tat 180, also korreliert die SPICE-Ausgabe tatsächlich mit dem, was wir über die Leistung in elektrischen Schaltungen wissen.

Wenn wir sehen möchten, wie diese einfache Schaltung über einen großen Bereich von Batteriespannungen reagieren würde, können wir einige der fortgeschritteneren Optionen in SPICE aufrufen. Hier verwende ich die ".dc" -Analyseoption, um die Batteriespannung von 0 bis 100 Volt in 5-Volt-Schritten zu variieren und die Spannung und den Strom des Schaltkreises bei jedem Schritt auszudrucken. Die Zeilen in der SPICE-Netzliste, die mit einem Sternsymbol ("*") beginnen, sind Kommentare . Das heißt, sie sagen dem Computer nicht, etwas in Bezug auf die Schaltungsanalyse zu tun, sondern dienen lediglich als Notizen für jeden Menschen, der den Netzlistentext liest.

 dritte Beispielschaltung v 1 0 r 1 0 5 * Die ".dc" -Anweisung sagt Spice zu, die "v" -Zufuhrspannung von 0 bis 100 Volt in 5-Volt-Schritten abzutasten. .dc v 0 100 5 .print dc v (1) i (v) .end 

Der Befehl .print in dieser SPICE-Netzliste weist SPICE an, Spalten mit Zahlen zu drucken, die jedem Schritt in der Analyse entsprechen:

 vi (v) 0, 000E + 00 0, 000E + 00 5, 000E + 00 -1, 000E + 00 1, 000E + 01 -2, 000E + 00 1, 500E + 01 -3, 000E + 00 2, 000E + 01 -4, 000E + 00 2, 500E +01 -5.000E + 00 3.000E + 01 -6.000E + 00 3.500E + 01 -7.000E + 00 4.000E + 01 -8.000E + 00 4.500E + 01 -9.000E + 00 5.000E + 01 -1.000E +01 5.500E + 01 -1.100E + 01 6.000E + 01 -1.200E + 01 6.500E + 01 -1.300E + 01 7.000E + 01 -1.400E + 01 7.500E + 01 -1.500E + 01 8.000E + 01 -1.600E + 01 8.500E + 01 -1.700E + 01 9.000E + 01 -1.800E + 01 9.500E + 01 -1.900E + 01 1.000E + 02 -2.000E + 01 

Wenn ich die Netzlistendatei erneut bearbeite, indem ich den Befehl .print in einen Befehl .plot umwandle, gibt SPICE ein grobes Diagramm aus, das aus Textzeichen besteht:

 Legende: + = v # Zweig ------------------------------------------- ----------------------------- Sweep v # Zweig-2.00e + 01 -1.00e + 01 0.00e + 00 --- ------------------ | ------------------------ | ------ ------------------ | 0, 000e + 00 0, 000e + 00. . + 5.000e + 00 -1.000e + 00. . +. 1.000e + 01 -2.000e + 00. . +. 1.500e + 01 -3.000e + 00. . +. 2.000e + 01 -4.000e + 00. . +. 2.500e + 01 -5.000e + 00. . +. 3.000e + 01 -6.000e + 00. . +. 3.500e + 01 -7.000e + 00. . +. 4.000e + 01 -8.000e + 00. . +. 4.500e + 01 -9.000e + 00. . +. 5.000e + 01 -1.000e + 01. +. 5.500e + 01 -1.100e + 01. +. . 6.000e + 01 -1.200e + 01. +. . 6.500e + 01 -1.300e + 01. +. . 7000e + 01 -1, 400e + 01. +. . 7.500e + 01 -1.500e + 01. +. . 8000e + 01 -1, 600e + 01. +. . 8.500e + 01 -1.700e + 01. +. . 9000e + 01 -1, 800e + 01. +. . 9.500e + 01 -1.900e + 01. +. . 1.000e + 02 -2.000e + 01 +. . --------------------- | ------------------------ | --- --------------------- | fegen v # branch-2.00e + 01 -1.00e + 01 0.00e + 00 

In beiden Ausgabeformaten repräsentiert die linke Spalte der Zahlen die Batteriespannung bei jedem Intervall, wenn sie von 0 Volt auf 100 Volt, jeweils 5 Volt, ansteigt. Die Zahlen in der rechten Spalte geben den Schaltungsstrom für jede dieser Spannungen an. Schauen Sie sich genau diese Zahlen an und Sie werden die proportionale Beziehung zwischen jedem Paar sehen: Das Ohmsche Gesetz (I = E / R) gilt in jedem Fall, wobei jeder Stromwert 1/5 des jeweiligen Spannungswerts ist, weil der Schaltungswiderstand ist genau 5 Ω. Auch hier sind die negativen Zahlen für die aktuelle SPICE-Analyse eher eine Eigenart als alles andere. Achten Sie nur auf den absoluten Wert jeder Zahl, sofern nicht anders angegeben.

Es gibt sogar einige Computerprogramme, die in der Lage sind, die von SPICE ausgegebenen nicht-grafischen Daten in eine grafische Darstellung zu übersetzen. Eines dieser Programme heißt Muskat, und seine Ausgabe sieht ungefähr so ​​aus:

Beachten Sie, dass Muskat die Widerstandsspannung v (1) (Spannung zwischen Knoten 1 und dem impliziten Bezugspunkt von Knoten 0) als Linie mit einer positiven Steigung (von links unten nach oben rechts) darstellt.

Ob Sie SPICE jemals beherrschen oder nicht, ist für die Anwendung in diesem Buch nicht relevant. Alles, was zählt, ist, dass Sie ein Verständnis dafür entwickeln, was die Zahlen in einem von SPICE erstellten Bericht bedeuten. In den folgenden Beispielen werde ich mein Bestes geben, um die numerischen Ergebnisse von SPICE zu kommentieren, um jegliche Verwirrung zu beseitigen, und die Kraft dieses erstaunlichen Werkzeugs freizusetzen, das Ihnen hilft, das Verhalten von Stromkreisen zu verstehen.