Schaltungstechnik Einleitung: - EMV

Analoge & Digitale
SS 2009
Schaltungstechnik
PSpice-Einführungskurs
Termin: 20.-24.04.2009
Einleitung:
Das Ziel des ersten Labortermins ist es, die StudentInnen mit der Simulationssoftware PSPICE vertraut zu
machen. Gleichzeitig sollen die verschiedenen Simulationsarten anhand von Beispielen demonstriert werden.
Dazu gehören:
• Simulation im Frequenzbereich (AC)
• Simulation im Zeitbereich (Transient)
• Gleichstrom-Simulation (DC)
• Simulation digitaler Schaltungen (Transient)
Hinweise
• PSPICE benutzt die Knotenpotential-Methode1 zur Berechnung elektrischer Netzwerke. Dies bedeutet,
dass das Programm keine Spannungen liefert sondern Potentialwerte im Bezug auf einen Referenzpunkt
in der Schaltung. Dieser Bezugspunkt wird durch das Masse-Symbol in der Schaltung festgelegt. D.h. in
jeder Schaltung muss ein Masse-Punkt vorhanden sein.
• Der Eingabe-Editor Schematics kann unter Start/Programme/PSpice Student/Schematics aufgerufen werden.
• In der nachfolgenden Abbildung (links) sind die vier wichtigsten Schaltflächen aufgelistet. Rechts ist das
Menü zur Auswahl der Bauelemente dargestellt. Die Bauelemente sind alphabetisch aufgelistet.
Die Bauelemente sind bestimmten Bibliotheken zugeordnet welche mit der Schaltfläche Libraries dargestellt werden können. Dies bietet die Möglichkeit Bauelemente einer bestimmten Kategorie, z.B. Quellen
oder analoge Bauelemente, schneller zu finden.
1
Diese und noch weitere Methoden werden in der Vorlesung Netzwerke behandelt.
TU-Berlin
1/6
Mönich/Zinal
• Bei der Platzierung der Bauelemente ist folgendes zu Beachten: Die Anschlüsse der Bauelemente sind
numeriert. Beim Aufrufen eines Bauelementes hängt der Anschluss Nr.1 immer am Maus-Pfeil. Die Bauelemente können mit Strg-r, im mathematisch positiven Sinne, gedreht und mit Strg-f horizontal gespiegelt
werden. Beides geschieht in Bezug auf Anschluss Nr.1. Die Anschlussnumerierung ist nach der Platzierung
leider nicht mehr sichtbar, sie ist jedoch für die Ergebnissdarstellung unverzichtbar wie wir später sehen
werden, deshalb sollte mann eine einheitliche Konvention bei der Platzierung einhalten (z.B. für horizentale Bauelemente Anschluss Nr.1 immer links und bei vertikalen Bauelementen Anschluss Nr.1 immer
unten).
• In der nachfolgenden Tabelle sind die in PSpice verwendeten Suffixe für die entsprechenden Einheiten
dargestellt.
Suffix
f
u
meg
TU-Berlin
Name
femto
mikro
mega
Wert
10−15
10−6
106
Suffix
p
m
g
Name
pico
milli
giga
Wert
10−12
10−3
109
Suffix
n
k
t
2/6
Name
nano
kilo
terra
Wert
10−9
103
1012
Mönich/Zinal
Aufgaben:
1.Aufgabe: Parallel-Schwingkreis (AC-Simulation)
• Geben Sie die nachfolgende Schaltung ein. Durch Doppelklick auf die Bauelemente lassen sich die Parameter einstellen.
Die Simulation soll für verschiedene Werte von R1 durchgeführt werden. Das Programm bietet hierfür die
möglichkeit eines Parametersweeps. Dazu muss der Wert des Widerstandes (r1) in geschweiften Klammern
gefasst sein. Desweiteren muss die Variable (r1) mit einem bestimmten Nennwert in eine Paramenterliste
eingetragen werden. Die Parameterliste ist in der allgemeinen Bauelementeliste unter param zu finden.
Als Stromquelle benötigen wir IAC aus der Liste. Geben Sie 1A als Stromwert ein.
Quelle
1A
+
-
I1
Ri
1meg
PARAMETERS:
r1
1meg
Parallel-Schwingkreis
L1
C1
R1
{r1}
• Berechnen Sie die Impedanz des Schwingkreises und bestimmen Sie den Wert von L1 für eine Resonanzfrequenz bei 5M Hz (C1 = 1pF ).
• Nun soll eine AC-simulation für verschiedene Werte des Widerstandes R1 durchgeführt werden. Die folgende Abbildung zeigt die notwendigen Einstellungen und die resultierenden Kurven.
• Nach der erfolgreichen Simulation erscheint ein schwarzes Fenster zur Darstellung der Ergebnisse. Mit
Trace/Add Trace kann der gewünschte Strom oder das gewünschte Potential (in Bezug auf Masse) gewählt
TU-Berlin
3/6
Mönich/Zinal
werden. Soll die Spannung die an einem Bauelement abfällt dargestellt werden, so muss die Potentialdifferenz der beiden Anschlüsse des Bauelements dargestellt werden (z.B V(C1:2)-V(C1:1)). Bemerkung: Bei
Bauelementen die einseitig an Masse angeschlossen sind genügt das Potential des anderen Endes da der
Massepunkt immer den Potentialwert 0 hat. Um die Darstellungseinstellungen bei einer erneuten Simulation beizubehalten muss Analysis/Probe setup/Restore last probe session markiert werden.
• Berechnen Sie die Güte des Schwingkreises und vergleichen Sie diese mit den Simulationsergebnissen für
den kleinsten und den grössten Wert des Parameters R1.
2.Aufgabe: Vollweggleichrichtung (Mittelpunktschaltung) (Transient-Simulation)
1
TX6
D1N4002
R2
+
V1
-
D3
C1
TX7
1n
VAMPL=220V
D1N4002
D4
In dieser Aufgabe soll der zeitliche Verlauf eines mit der obigen Schaltung gleichgerichteten Signals simuliert
werden. Als Spannungsquelle benötigen wir V SIN . Die primäre Spannung soll auf ein Zehntel runtergesetzt
werden. Das Übersetzungsverhältnis des Transformators ist proportional zum Verhältnis der Wurzeln der Impedanzen von Primär- und Sekundärwicklung. Die nachfolgende Abbildung zeigt die Einstellungen für Quelle
und Transformator. Desweiteren sind die Einstellungen für die Transient-Simulation dargestellt.
TU-Berlin
4/6
Mönich/Zinal
• Variieren Sie die Werte des Kondensators C1 mittels eines Parametersweeps im Bereich 0.1 − 5nF und
erklären Sie den Einfluss auf das Ausgangssignal.
3.Aufgabe: Ausgangskennlinienfeld eines Transistors (DC-Simulation)
Q1
Q2N2222
IDC
+
IB
+
UCE
5V
10uA
-
In dieser Aufgabe soll eine Kurvenschar von (IC (UC )) Kennlinien für verschiedene Basisströme IB aufgezeichnet
werden. Dazu verwenden wir eine verschachtelte DC-Simulation. Die nachfolgende Abbildung zeigt die dazu
notwendigen Einstellungen und das Ergebnis.
• Erklären Sie mit Ihrem Wissen aus der Vorlesung die leichte Steigung der Ausgangskennlinien ausserhalb
des Sättigungsbereichs.
TU-Berlin
5/6
Mönich/Zinal
4.Aufgabe: Asynchroner Modulo 8 Zähler (Digitale Simulation)
• Woran erkennen Sie, im Obigen Zeitablaufdiagramm, die Asynchronität der simulierten Schaltung?
TU-Berlin
6/6
Mönich/Zinal