[Halex07]

4.10. PROSPICE-примитивы резисторов и конденсаторов. Немного о температурном моделировании в Proteus и использовании DC SWEEP графика.
В этом разделе я кратенько пробегусь по свойствам примитивов резисторов R и конденсаторов C. Итак, резистор наиболее простая и фундаментальная модель SPICE. Ток через резистор пропорционален напряжению, приложенному между выводами 1 и 2. В окне свойств резистора из библиотеки примитивов ISIS имеется только строка задания его сопротивления Resistance. Однако, это не значит, что по сравнению с классической SPICE-моделью у него отсутствуют остальные свойства. Просто, если Вы затеете в Протеусе температурное моделирование, то придется их вводить вручную в окне Other Properties. А по умолчанию они следующие:
TC1 0.0 Значение линейного температурного коэффициэнта A
TC2 0.0 Значение квадратичного температурного коэффициэнта B
TEMP 27 Реальная температура резистора.
TNOM 27 Температура, при которой TC1, TC2 были «измерены» при создании модели.
Суммарно, сопротивление резистора при определенной температуре t определяется следующей формулой:
Rt=R+A*dt+B*dt**2 где dt=t-25
Так как по умолчанию у нас TC1 и TС2 равны нулю, то и принимаетмся значение, установленное в окне Resistance. Если же их задать вручную для конкретного резистора (ов) в проекте, то при моделировании температурных режимов линейная и квадратичная составляющая будут вносить свои коррективы в значения сопротивления данных резисторов.
Вот это последнее мы сейчас и рассмотрим на примере резистивного измерительного мостика, приведенном в книге Р. Хайнеманна «Визуальное моделирование электронных схем в PSPICE». Если кто-то имеет данную книгу, то может сравнить с приведенным там примером в гл.7.3. Итак, согласно приведенной там иллюстрации соберем схему термоизмерительного мостика (Рис. 63 ) из резисторов сопротивлением 1 кОм и источника постоянного напряжения 10В.
Обратите внимание, что для двух резисторов в диагоналях я задал линейный температурный коэффициент TC1=0,0067 1/K, что соответствует коэффициенту для никеля. Кроме того, для параметра текущей температуры TEMP=X, потому что предполагаю ее менять в качестве параметра в DC SWEEP анализе. Теперь тем же способом, что и аналоговый график размещаем на поле проекта график DC SWEEP – он предпоследний в левом меню графиков, и заходим в его свойства Edit Graph (Рис. 64 ).
Ну вот, теперь, наверное, стало понятно - почему я присвоил температуре значение X. Ведь ее мы и будем свипить, т.е. развертывать по горизонтальной оси. Присваиваем ей в соответствии с книжным примером Start Value – начальное значение -50 (имеются в виду градусы Цельсия), Stop Value – конечное значение 150, Nominal Value номинальное значение 25 и No. Steps – количество шагов 200 (по 1 на градус размаха 50+150 – здесь я покривил душой, у Хайнеманна шаг взят 0.1 градуса, впрочем желающие могут поставить 2000 для пущего соответствия).
Затем добавляем на график трассу Add Trace, которая является разностью напряжений для пробников 1 и 2 на схеме (Рис. 63 ). Выглядеть это будет, как на (Рис. 65 ). Здесь в принципе Вам все уже знакомо по аналоговому графику. Т.е. наша трасса будет представлять разность напряжений в точках пробников 1 и 2 (средние точки диагоналей измерительного моста). Фантазии у меня не хватило, и обозвал я ее незатейливо P1-P2. Обратите внимание, чтоб мне лишний раз не пояснять, что и для этого типа анализа имеется возможность использования левой и правой вертикальных осей Y. Мы используем левую, которая по умолчанию.
И еще один нюанс, - для вертикальной оси Y я вручную установил верхний и нижний пределы (кнопка Set Y-Scales) соответственно -4V и 4V для большей аналогии с книжным примером. Проделав все эти манипуляции, запускаем график на выполнение. Я внес на лист рисунки из книжки, правда качество скана оставляет желать…, но сравнить можно. Результат выполнения графика и прототип из книжки на (Рис. 66 ).
Этот пример содержится в прилагаемом проекте RES_TEMP.DSN из архива RES&CAP.RAR на втором листе – Root Sheet 2, а на первом – с помощью DC SWEEP я приложил график для изменения одного сопротивления моста из различных материалов: никеля, меди и платины.
Вот такие метаморфозы возможны с помощью DC SWEEP. Но совсем не обязательно, чтобы изменяемым параметром была температура. В качестве дополнительного примера приложен пример RES_POWER.DSN, где по оси X разворачивается сопротивление резистора в диапазоне от 1 до 150 Ом, а по оси Y – рассеиваемая на нем мощность, вычисляемая по формуле P=U*I.
Ну а теперь немного о конденсаторах. Примитив конденсатора в ISIS тоже простая модель, не учитывающая ни утечек, ни индуктивности, ни других параметров реальных конденсаторов. Единственным основным параметром является задаваемая емкость Capacitance (Farads). Однако, и здесь есть парочка параметров, которые задаются вручную, но могут в корне влиять на моделирование схемы. Поэтому рассмотрим, - как их правильно применять, а попутно и то, чем примитив конденсатора отличается от других моделей этого типа в ISIS.
PRECHARGE – этот параметр специфическое расширение PROSPICE по сравнению со стандартным SPICE и определяет начальное напряжение зарядки конденсатора. Если данный параметр строго не описан, то это напряжение принимается таким, которое соответствует данной операционной точке.
IC – в данном случае это отнюдь не Inicial Condition, а Inicial Charge (начальный заряд) и также должен определять начальное напряжение заряда конденсатора. Отличие состоит в том, что данный параметр используется симулятором только тогда, когда начальное напряжение невозможно рассчитать.
Вот так все запутанно расписано в HELP, но рассмотрим дальше – как это выглядит на практике. На Рис. 67 для цепочки 1 применены параметры по умолчанию, а для цепочки 2 установлено стартовое напряжение для конденсатора PRECHARGE=0.
Вот сразу и выяснился один любопытный момент – на левом графике напрочь отсутсвует кривая первоначального заряда, т.е. как и указано в HELP – напряжение на верхней по схеме обкладке конденсатора сразу же равно питанию. Делайте выводы те, кто приклеивает данную цепочку ко входу сброса микроконтроллеров или цифровых счетчиков и т.п. Будет оно симулироваться или нет? Идем дальше, и на Рис. 68 разберем действие параметра IC.
Когда мы подставили IC=0 в параметры конденсатора – цепочка 3, то получили по сути тоже, что и по умолчанию, т.е. в стартовый момент напряжение на верхней точке уже равно питанию. Но есть еще один интересный момент – IC можно использовать и для проводников. Это очень просто – если мы присваиваем одноименный лайбл проводнику (в нашем случае верхнему) – цепочка 4, то по сути опускаем его напряжение в стартовый момент до нуля, а с ним и верхний вывод конденсатора. Вот и получили тот же эффект, что при варианте 2. Все эти примеры находятся в прилагаемом в архиве проекте CAP.DSN.
Вариант с IC для проводников классически применен в примере Ff.DSN, идущем в поставке Протеуса в папке \SAMPLES\Graph Based Simulation\. В этом примере рассмотрен классический транзисторный мультивибратор с коллекторными связями (Рис. 69 ). Я не удержался от того, чтобы не привести его здесь, подчеркнув важные моменты.
Те, кто внимательно изучал электронику в ВУЗах, а не просто «ходил за дипломом», да и многие радиолюбители наверняка давно знают, а для тех, кто начинает свои посты на форуме с фразы: «я в электронике полный дуб» - поясню, что в идеале данная схема не в состоянии генерировать импульсы. Это потому, что если в обоих плечах симметричного мультивибратора стоят строго одинаковые компоненты, - он будет находиться в состоянии статического равновесия. На практике из-за разброса параметров радиоэлементов такого не бывает, поэтому мультик всегда запускается. Но ведь любой симулятор и содержит строго идеальный набор моделей. Значит, если такой мультик запустился, то где-то производитель программы Вас слегка охмурил. Ну а в нашем случае все просто. Для того, чтобы внести стартовый разбаланс в плечи мультивибратора для коллекторной точки левого плеча принято IC=0V, а для правого IC=10V. Вот и получился нужный стартовый перекос. Примите на вооружение, как полезный совет от разработчиков.
Ну и в заключении этого раздела еще немного о моделях конденсаторов, расположенных уже в библиотеке Capacitors. Большинство из них ведет себя так же, как и примитив, на базе которого они основаны. Так что параметр PRECHARGE для них очень актуален. Но есть парочка моделей – это тоже базирующийся на примитиве анимированный конденсатор (подпапка Animated) и схематичная модель (или как принято в других пакетах такой вариант называть - макромодель) REALCAP (подпапка Generic) в которых не надо при установке в проект принудительно включать это свойство. У макромодели REALCAP реализованы, кстати и все дополнительные навороты - Рис. 70, вплоть до ESR. Но прежде, чем активно использовать эту модель в своих проектах, внимательно подумайте, – а «стоит ли игра свеч». Ведь все эти навороты реализованы схемно в макромодели и утяжелят Вам симуляцию проекта как говорится «по полной программе», поэтому и хороши они только там, где необходимо обязательно учесть данные параметры.
Рисунки 63, 64, 65.
Рисунки 66, 67, 68.
Рисунки 69, 70.