سبايس لمحاكاة دائرة RC

ستحلل هذه الدفعة من دورة سبايس الثابت الزمني RC ، وهو مفهوم أساسي في الإلكترونيات يمثل المعدل الذي تصل به دائرة RC إلى حالتها المستقرة. بمعنى آخر ، ثابت وقت RC هو نتاج المقاومة ص والسعة ج من الدائرة ويمثل الوقت الذي يستغرقه المكثف لشحن أو تفريغ 63.2٪ من جهده النهائي. كما هو موضح في الجزء 1 ، سبايس هي أداة محاكاة تسمح لك بتحليل سلوك الدوائر الإلكترونية بتفاصيل دقيقة. باستخدام SPICE ، من الممكن محاكاة سلوك دوائر RC في تكوينات مختلفة وبقيم مختلفة للمقاومة والسعة.

ثابت الوقت في دوائر RC

ثابت الوقت هو مقياس لزمن استجابة دائرة RC. يتم الحصول على قيمة هذا الثابت كمنتج للمقاومة والسعة الكهربائية للدائرة ، وفقًا للصيغة التالية:

حيث ? هو ثابت الوقت ، معبراً عنه بالثواني ؛ ص هي قيمة المقاوم ، معبراً عنها بالأوم ؛ و ج هي قيمة المكثف معبراً عنها بالفاراد.

يشير ثابت الوقت ، من الناحية العملية ، إلى الوقت اللازم لشحن المكثف ، من خلال المقاوم ، إلى 63.2٪ من إجمالي سعة شحنه ، أو تفريغه إلى 36.8٪. في هذه الورقة ، سنتناول الحسابات اللازمة وتطبيقاتها في سبايس مع عمليات المحاكاة ذات الصلة. لهذا الغرض ، سوف نشير إلى مخطط الدائرة الذي تم تحليله في الجزء 1 على دائرة RC بسيطة تتكون من المكونات الإلكترونية التالية:

• مولد جهد مثالي 12 فولت (V1)
• مقاوم مثالي 22 kΩ (R1)
• مكثف مثالي 860 درجة فهرنهايت (C1)

تم توضيح مخطط الدائرة في الشكل 1 ، جنبًا إلى جنب مع netlist من LTspice و ngspice ، وهو جهاز محاكاة إلكتروني آخر. توضح مقارنة إصدارات الترميز المختلفة كيف أن لكل برنامج إعدادات التشغيل الخاصة به.

يمكن استخدام برنامج ngspice لمحاكاة الدوائر الإلكترونية بشكل فعال ودقيق. لتشغيل محاكاة ، يجب على المستخدمين إنشاء قائمة سبايس تصف الدائرة التي يرغبون في محاكاتها. يمكن إنشاء قائمة SPICE باستخدام محرر نصوص ، مثل Windows Notepad أو TextEdit في macOS. بمجرد إنشاء قائمة SPICE ، يمكن للمستخدمين بدء برنامج ngspice وإعادة توجيه الأمر لتشغيل المحاكاة. بهذه الطريقة ، سيقوم البرنامج بتشغيل محاكاة الدائرة الإلكترونية الموضحة في قائمة سبايس وتقديم النتائج المرجوة. من المهم ملاحظة أن إنشاء قائمة سبايس قد يتطلب معرفة تركيب تلك اللغة ونظرية الدائرة الإلكترونية. أمر الحصول على القائمة هو كما يلي:

المصدر my_circuit.cir

يقوم برنامج ngspice بتحميل قائمة المصدر وينتج الرسم البياني المتعلق بإشارات الجهد للعقد “out” و “vcc”. يستنسخ الشكل 2 الرسوم البيانية التي تم الحصول عليها باستخدام LTspice و ngspice ، والتي ، كما يمكن رؤيتها ، متطابقة مع بعضها البعض ، مما يدل على أن المحاكاة العابرة ، في المجال الزمني ، قد تم تنفيذها بشكل صحيح.

الآن ، يمكننا التحقق من النتائج والمعلمات المتعلقة بثابت الوقت. كما ذكرنا سابقًا ، فإن ثابت الوقت يساوي ناتج المقاومة ص والسعة ج من الدائرة. يجب التعبير عن قيم المنتج بالوحدات النسبية ، لذلك لدينا:

عند 18.92 ثانية من بدء شحن المكثف ، تصل إمكاناته ، أضعافا مضاعفة ، إلى 63.2٪ من أقصى جهد متاح ، أي جهد مولد الجهد. هذه النسبة مشتقة من التعبير التالي:

لقياس الجهد أو التيار أو أي معلمة أخرى في لحظة معينة في عابر ، هناك أمر مناسب لإجراء مثل هذا الكشف. إنه متطابق في كل من LTspice و ngspice ، باستثناء نقطة بداية السلسلة نفسها. في LTspice ، قم ببساطة بإضافة الأمر التالي في توجيه SPICE:

.meas TRAN V63 البحث عن v (خارج) عندما الوقت = 18.92

في ngspice ، على العكس من ذلك ، يجب عليك إضافة الأمر التالي مباشرةً إلى قائمة المصدر:

قياس TRAN V63 البحث عن v (خارج) عندما الوقت = 18.92

كما يتضح من الشكل 3 ، يوفر البرنامجان نتيجة التقييم على SPICE Error Log of LTspice ، والذي يمكن مشاهدته بالضغط على [CTRL] + [L] مفاتيح ، أو مباشرة على نافذة ngspice الرئيسية. تختلف قيمتا الجهد عن بعضهما البعض ببضعة آلاف من الفولت. الجهد الذي وصل إليه مكثف الشحن ، بعد 18.92 ثانية ، هو حوالي 7.584 فولت ، أي ما يعادل 63.2٪ من جهد الإمداد البالغ 12 فولت ، دعونا نتعمق في الأجزاء المختلفة لأمر سبايس لإجراء مثل هذا القياس في الفترة العابرة:

• حصبة يقوم بقياس القيمة أثناء المحاكاة. يتم استخدامه لتحليل بيانات الإخراج لمحاكاة TRAN أو AC أو DC. يتم تنفيذ الأمر فور انتهاء المحاكاة.
• TRAN يستخدم لتحديد نوع المحاكاة. في هذه الحالة ، يفحص القيم بشكل عابر.
• V63 هو ببساطة اسم مخصص يُعطى لمتغير الإخراج. يمكن استخدام أي سلسلة من الأحرف والأرقام.
• يجد الخامس (خارج) يُعلم البرنامج بأنه يجب عليه البحث عن قيمة الجهد وعرضها في العقدة “Out”.
• عندما الوقت = 18.92، يجب حساب القيمة التي تم إرجاعها في الوقت المحدد كمعامل. لاحظ أن “الوقت” هو متغير بحد ذاته ولا يمكن استبداله بأي رمز آخر.

فيما يتعلق بهذا الموضوع ، من الممارسات الجيدة أيضًا أن نذكر أن 5 × ثابت الوقت يكافئ إكمال عابر بواسطة المكثف (انظر الرسم البياني في الشكل 4). العلاقة التالية مفيدة لحساب الوقت الذي ينتهي فيه عابر دائرة RC ويصل المكثف إلى أقصى شحنة. في هذه العلاقة ، ص يمثل قيمة المقاوم بالأوم ، ج يمثل قيمة المكثف بالفاراد ، و هو الوقت الذي ينتهي فيه المؤقت. من المهم ملاحظة أن هذه العلاقة تنطبق فقط على دارات RC التي يتم فيها شحن المكثف بجهد DC. في الممارسة العملية ، هذه العلاقة مفيدة لتحديد الوقت اللازم للدائرة للوصول إلى حالة مستقرة ؛ أي عندما لا تتغير شحنة المكثف بمرور الوقت. هذا مفهوم مهم في تصميم الدوائر الإلكترونية ، لأنه يسمح للشخص بالتنبؤ بسلوك الدائرة في لحظة معينة من الزمن.

بعد 94.6 ثانية بالضبط من بداية المحاكاة ، يصل المكثف إلى شحنته النظرية الكاملة. بإعادة توجيه أمر SPICE التالي ، لكل من LTspice و ngspice ، يتم الحصول على قيمة الجهد التي وصل إليها المكثف 11.919 فولت:

.meas TRAN V63 البحث عن v (خارج) عندما الوقت = 94.6

في الواقع ، يستمر المكثف في الشحن ببطء شديد بسبب الجهد المتبقي ، ولكن من الناحية العملية ، يعتبر مشحونًا.

الصيغ المعكوسة

الصيغ المعكوسة لإيجاد قيم المكثف أو المقاوم مفيدة لأنها يمكن أن تساعد في اختيار المكونات المناسبة لدائرة معينة لتلبية متطلبات معينة. لذلك فإن الصيغ المعكوسة فعالة في تصميم الدوائر الإلكترونية لأنها تسهل العثور على قيم المكونات اللازمة لتحقيق المواصفات المطلوبة. هذا مفيد في صنع ، على سبيل المثال ، مقياس مكثف بدائي. إذا كنت تعرف جهد إمداد الدائرة وثابت الوقت المقاس وقيمة المقاوم في دائرة RC متسلسلة ، فيمكنك حساب قيمة المكثف غير المعروف باستخدام الصيغة:

يمنحك إدخال القيم المعروفة في الصيغة قيمة المكثف بالفاراد. على سبيل المثال ، إذا كان ثابت الوقت 3 ثوانٍ وكانت قيمة المقاوم 2200 Ω ، فإن قيمة المكثف هي 1،364 µF. من المهم ملاحظة أن الصيغة أعلاه صالحة فقط لدائرة RC المتسلسلة.

خاتمة

LTspice و ngspice هما برنامجان مثاليان لتعلم سبايس وإجراء عمليات محاكاة إلكترونية موثوقة. الصيغ الموضحة في المقالة هي نفسها أيضًا لتفريغ المكثف. في الدفعة التالية ، سوف نتعلم كيفية الحصول على قياسات نصية من محاكاة عابرة حتى نتمكن من تصور اتجاه المتغيرات ، لحظة بلحظة ، والأهم من ذلك ، تحديد القوانين الرياضية الأساسية لسلوك دوائر إلكترونية معينة.

دليل لمحاكاة سبايس لتحليل وتصميم الدوائر – الحلقات