محاكاة التوابل لتحليل الدوائر

غالبًا ما يحتاج المصممون إلى محاكاة الدوائر الإلكترونية من خلال تجربة قيم مختلفة لمكون إلكتروني واحد أو أكثر. قد يكون تغيير القيمة الجوهرية أمرًا شاقًا للغاية لأنه ، لكل محاكاة ، يجب الوصول إلى خصائص المكون واستبدال القيمة المطلوبة. تخيل الوقت الضائع في مئات الاختبارات والمحاكاة لمكونات مختلفة. لحسن الحظ ، فإن توجيه .STEP ، الذي توفره لغة محاكاة التوابل ، يسمح لهذا الإجراء بأن يكون مؤتمتًا بالكامل ، مما يتيح عمليات محاكاة فورية وسريعة لمجموعة واحدة أو أكثر من نطاقات القيمة للمكونات الإلكترونية.

التوجيه “.STEP”

في لغة SPICE ، يتم استخدام هذا التوجيه لتشغيل سلسلة من عمليات المحاكاة التي يتم فيها تغيير معلمة واحدة أو أكثر تدريجيًا خلال فترة زمنية محددة. الصيغة العامة لتوجيه “.STEP” هي كما يلي:

.STEP بارام [start stop step]

حيث تشير “param” إلى المعلمة التي تريد تغييرها ، مثل مقاومة مكون إلكتروني ؛ تشير “البداية” و “الإيقاف” إلى قيم البداية والنهاية للمعامل ، على التوالي ، وتشير “الخطوة” إلى حجم خطوة الزيادة. على سبيل المثال ، إذا كنت تريد تشغيل محاكاة تختلف فيها مقاومة أحد المكونات من 1 كيلو أوم إلى 10 كيلو أوم بزيادات 1 كيلو أوم ، يمكنك استخدام التوجيه التالي:

.step param R 1k 10k 1k

بهذه الطريقة ، سيتم تشغيل 10 عمليات محاكاة ، لكل منها قيمة مقاومة مختلفة بين 1 كيلو أوم و 10 كيلو أوم. كالعادة ، ستتم دراسة السلوكيات المختلفة باستخدام برنامجي LTspice و ngSpice.

استقطاب قاعدة الترانزستور مع Ltspice

في المثال التالي ، يتم فحص مخطط مكبر للصوت الترانزستور ذي الباعث المشترك. إنها واحدة من دوائر مكبر الصوت الأكثر شيوعًا والأكثر استخدامًا في الإلكترونيات. يتم تصنيعه باستخدام ترانزستور BJT ومقاومين ، أحدهما متصل بالقاعدة والآخر بمجمع الترانزستور. يقوم المقاوم الأساسي بانحياز تقاطع القاعدة-الباعث في الترانزستور. يتم اختياره بطريقة تضمن أن الجهد المطبق على قاعدة الترانزستور كافٍ لتشغيله في المنطقة النشطة. بمعنى آخر ، يضمن المقاوم الأساسي أن الترانزستور يمكنه تضخيم إشارة الإدخال ، ووضع الخرج عند جهد يبلغ حوالي VCC / 2. من ناحية أخرى ، فإن المقاوم المجمع هو حمل الدائرة. تتميز هذه الدائرة بكسب جهد عالٍ ومقاومة منخفضة للإدخال ولكن لا يوجد دعم لتثبيت درجة الحرارة. يظهر مخطط الدائرة في الشكل 1 ويتكون من المكونات الإلكترونية التالية:

• V1: هو مولد الجهد 12 فولت
• Q1: هو الترانزستور 2N2222 المستخدم في مخطط الدائرة
• R1: هو المقاوم تحميل 1 كيلو أوم
• R2: هو المقاوم التحيز الأساسي. يجب تقييم قيمتها بعناية.

المكونات ذات القيمة الثابتة والمحددة هي المولد V1 والترانزستور Q1 والمقاوم R1. من ناحية أخرى ، يجب تكرار قيمة R2 بين عدة قيم ضمن النطاق للبحث عن نقطة التشغيل المثلى للدائرة. لذلك تقرر محاكاة جميع قيم مقاومة التحيز R2 دفعة واحدة ، بدءًا من 200 KOhm حتى 600 KOhm ، بخطوة 10 kOhm. توجيهات SPICE التي سيتم تضمينها في المخطط هي كما يلي:

.step param RP 200k 600k 10k

يتم شرح العناصر المختلفة للتوجيه بالتفصيل أدناه:

• .step: هو التوجيه الفعلي
• param RP: يشير إلى اسم المعلمة (أو المتغير) المراد تكراره
• 200K: هي القيمة الأولية للتكرار
• 600K: هي القيمة النهائية للتكرار
• 10K: هي خطوة التكرار.

كما هو موضح في الشكل 2 ، يمكن إدخال التوجيه في نافذة نصية ، حيث يجب أيضًا تحديد نوع المسح (خطي ، أوكتاف ، أو عقد ، أو قائمة).

لمطابقة المتغير RP مع المقاوم R2 ، يجب تعيين القيمة RP بين الأقواس المتعرجة ، كما هو موضح أدناه:

{RP}

بهذه الطريقة ، لا يحتوي المقاوم R2 على قيمة ثابتة ولكنه يعتمد على القيمة التي يفترضها متغير RP. عند تشغيل المحاكاة ، يحاول البرنامج استبدال ما يصل إلى 41 قيمة أومية مختلفة (200 ك ، 210 ك ، 220 ك ، 230 ك ، … ، حتى 580 ك ، 590 ك ، و 600 ك) للمقاوم. يمكن ملاحظة هذا المسح على شريط الحالة أثناء المحاكاة وقد يستغرق عدة ثوان. يوضح الشكل 3 الجهد عند العقدة “الخارجية” في محاكاة 41 قيمة للمقاوم R2. كما هو معروف ، في هذا النوع من المضخمات ، يضع جهد التحيز الأساسي الصحيح جهد المجمع عند VCC / 2 (6 فولت في أو مثال). الآن ، من منظور زمني ، فإن المنحنى الواقع على جهد 6 فولت هو 20 ، أي ما يعادل قيمة مقاومة تبلغ 390 كيلو أوم. إذا قام أحدهم بإزالة توجيه .STEP من مخطط الأسلاك وقام بتعيين قيمة 390 كيلو أوم للمقاوم R2 ، فسيتم الحصول على قيمة 6.0121021 فولت في العقدة “الخارجة” ، والتي تتوافق بدقة مع VCC / 2. يمكن للمرء تضييق نطاق البحث بشكل أكبر عن طريق تقليل خطوة الزيادة. ومع ذلك ، نظرًا لأن جميع المكونات الإلكترونية تتمتع ببعض التسامح ، حتى مع نفس النموذج ، فإن إبقاء خطوة البحث على نطاق واسع أمر مريح.

استقطاب قاعدة الترانزستور مع التوابل

لسوء الحظ ، لا يحتوي ngSpice على توجيه “.STEP” حقيقي ، لذلك من الضروري تحقيق الهدف باستخدام لغة البرنامج النصي المطبقة في المحاكي. يوضح الشكل 4 حلاً محتملاً للحصول على جهد المجمع ، حيث تختلف المقاومة الأساسية. تذكر أنه لبدء النص ، يجب كتابة الأمر “source MySource.cir”.

رصد تموج مع سعات التسوية المختلفة

كما نعلم ، يتم استخدام مكثف التسوية في مزود الطاقة ، والذي يسمى أيضًا “مكثف المرشح” ، بعد جسر الصمام الثنائي لدائرة المعدل لتحويل موجة الجهد النبضي إلى إشارة جهد تيار مستمر أكثر استقرارًا. بعد أن يصحح جسر الصمام الثنائي (ويجعله موجبًا) الموجة المتناوبة المدخلة ، يتقاضى المكثف خلال المرحلة الإيجابية لموجة الجهد والتفريغ أثناء المرحلة السلبية. يقلل المكثف من وجود التموج ، وهو مكون التردد المنخفض على جهد التيار المستمر (100 هرتز أو 120 هرتز). يعمل كخزان يخزن الطاقة أثناء ذروة الجهد ويطلقها خلال فترات الجهد المنخفض. وهذا يضمن خرج جهد تيار مستمر أكثر استقرارًا ، مما يقلل التقلبات غير المرغوب فيها ويحسن جودة الطاقة. سيتم اختبار عشرة مكثفات مختلفة في المحاكاة التالية للتحقق من أن حجم التموج يتناقص مع زيادة القيمة السعوية. لاحظ مخطط الدائرة في الشكل 5. يمثل مصدر طاقة تقليدي مع محول وجسر ديود ومكثف إلكتروليتي وحمل.

الآن ، مع LTspice ، سيتم اختبار قيم سعوية مختلفة للتأكد من الاعتماد المباشر لحجم إشارة التموج على القيمة السعوية للمكثف الكهربائي. يتكون مخطط الدائرة من المكونات التالية:

• V1: مصدر طاقة متناوب جيبي 50 هرتز بجهد جذر متوسط ​​التربيع 230 فولت وذروة جهد 325 فولت
• L1، L2: محول جهد كهربائي
• D1، D2، D3، D4: جسر من أربعة ثنائيات تصحيح
• C1 ؛ مكثف تسوية كهربائيا
• R1: حمولة.

لمحاكاة سلوك مصدر الطاقة عند الخرج عن طريق اختبار قيم السعة للمكثف الكهربائي بين 50 فائق التوهج و 500 فائق التوهج ، يتم استخدام التوجيه التالي:

.step param Cap 50 فائق التوهج 500 فائق التوهج 50 فائق التوهج

في الدورات العشر ، تحاول المحاكاة استبدال القيمة الفعلية للمكون المختار من 50 درجة فهرنهايت ، 100 درجة فهرنهايت ، 150 درجة فهرنهايت ، 200 درجة فهرنهايت ، 250 درجة فهرنهايت ، 300 درجة فهرنهايت ، 350 درجة فهرنهايت ، 400 درجة فهرنهايت ، 450 درجة فهرنهايت ، 500 درجة فهرنهايت. يوضح الرسم البياني لجهد الخرج تباين التموج وفقًا لمكثف التحليل الكهربائي. يكون المؤقت الأولي صغيرًا للغاية ، وتبدأ الدائرة في العمل بثبات بعد حوالي 10 مللي ثانية فقط. يتوافق التموج الأكبر مع سعة أصغر للمكثف الإلكتروليتي.

عمليات محاكاة STEP المتداخلة

يسمح لك التوجيه العادي STEP. في SPICE بتغيير المعامل بشكل تدريجي وتشغيل المحاكاة لكل قيمة معلمة. من ناحية أخرى ، يعد توجيه .STEP المتداخل ميزة متقدمة يمكن استخدامها في لغة SPICE لمحاكاة الدوائر الإلكترونية بكفاءة. في الأساس ، يسمح هذا التوجيه بتعريف متغيرات تحكم متعددة لتنفيذ المحاكاة. باستخدام التوجيه .STEP المتداخل ، يمكن تغيير العديد من المعلمات في وقت واحد وبشكل مستقل ، مما ينتج عنه مجموعة من مجموعات القيم. يتيح لك ذلك استكشاف العديد من مجموعات قيم المعلمات بسرعة والعثور على التركيبة المثلى للدائرة. يوصى باستخدام هذه الميزة بعناية ، حيث تتوافق الحلول النهائية الممكنة مع ناتج مجموعات القيم الفردية ، ويمكن أن يصبح عدد الحلول النهائية كبيرًا جدًا بسهولة ، مما يؤدي إلى إبطاء المحاكاة بشكل كبير.

خاتمة

كما هو موضح في المقالة ، يعد توجيه .STEP ميزة مفيدة لتغيير معلمات الدائرة الإلكترونية بشكل تدريجي وتلقائي لفحص سلوكها في ظل ظروف مختلفة. يمكن أن تختلف المعلمات المختلفة ، بما في ذلك المقاومات والسعة والمحثات وجهود الإمداد والترددات. من خلال استخدام توجيه .STEP ، يمكن للمصممين فحص مجموعات مختلفة من قيم المعلمات بسرعة وتحديد التركيبة المثلى لدائرتهم. بالإضافة إلى ذلك ، يعد هذا التوجيه مفيدًا بشكل خاص لتصميم الدوائر المعقدة ، حيث يمكن أن يؤثر التباين في واحد أو أكثر من المعلمات بشكل كبير على السلوك العام للدائرة. يمثل أداة مهمة لتحليل وتصميم الدوائر الإلكترونية ، مما يوفر حلاً فعالاً وآليًا لاستكشاف المعلمات. بفضل قدرته على تعديل مجموعة واسعة من المعلمات وإنتاج مصفوفة النتائج ، يمكن أن يساعد .STEP في توفير الوقت وتحسين أداء الدائرة.

دليل لمحاكاة سبايس لتحليل وتصميم الدوائر – الحلقات