3.2. Моделирование дифиренцирующей rc – цепи

Для моделирования дифференцирующей RC – цепи можно воспользоваться уже готовым файлом схемы интегрирующей цепи, описанной в пункте 3.1. Для этого необходимо загрузить в среду Electronics Workbench этот файл, воспользовавшись командой меню File/Open и выбрав соответствующий каталог и файл, и поменять расположение в схеме резистора и конденсатора. При этом будет удобно пользоваться командой Rotate, которая доступна при нажатии правой кнопкой мыши на соответствующем элементе, и передвижением элементов и проводов путем выбора и переноса контактов при нажатой левой клавише мыши. Если же файл схемы, описанной в пункте 3.1 отсутствует на накопителях, то можно повторить операции подготовки схемы к работе, описанные в пункте 3.1. Вид созданной схемы приведен на рисунке 3.9.

Рисунок 3.9 – Дифференцирующая RC - цепь

С дифференцирующей RC – цепью можно проделать те же виды анализа, что были описаны в пункте 3.2. На рисунке 3.10 показан сигнал на выходе цепи, а на рисунке 3.11. АЧХ и ФЧХ схемы.

Рисунок 3.10 – Сигнал на выходе дифференцирующей RC - цепи

После внесения изменений или окончания работ схему можно сохранить, воспользовавшись командой меню File/Save, если нужно сохранить в том же файле, либо File/Save As если нужно сохранить схему под другим именем или в другом каталоге.

Рисунок 3.11 – АЧХ и ФЧХ дифференцирующей RC - цепи

3.3 Моделирование транзисторного автогенератора

Для моделирования транзисторного автогенератора необходимо собрать схему, представленную на рисунке 3.12. Для этого нужно нанести все компоненты схемы на рабочую область Electronics Workbench и соединить все контакты проводниками. Модель транзистора находится в наборе деталей Transistors, а источник питания в наборе Sources. После соединения моделей деталей в схему необходимо настроить параметры каждого компонента путем двойного нажатия на нем левой клавишей мыши и заполнением окон параметров. Боле подробно данная схема описана в разделе 1 (этого дипломногопроекта). После настройки параметров можно попытаться включить источник питания путем нажатия клавиши переключения питания и проверить наблюдением за панелью осциллографа, выходит ли генератор в режим генерации. Если же на выходе не появляется сигнал переменного напряжения, то нужно повторить расчет параметров схемы и изменить их соответствующим образом.

Рисунок 3.12 – Модель транзисторного автогенератора

За сигналом на выходе генератора удобно наблюдать, используя расширенное окно терминала осциллографа. На рисунке 3.13 показан момент начала генерации сигнала и момент установки стабильного режима транзисторного автогенератора. Для более детального изучения можно использоватьь полосы прокрутки и изменения параметров терминала. Для получения более точной модели можно заменить компоненты реальными моделями существующих, т.е. например, заменить идеальный транзистор моделью реально существующего транзистора. Electronics Workbench включает в себя достаточно большое количество реальных моделей деталей широко известных производителей.

Рисунок 3.13 – Сигнал на выходе транзисторного автогенератора

После завершения работы с программным комплексом нужно закрыть программу, предварительно сохранив схему, если это необходимо.

3.4.Моделирование цепей переменного тока

Рассмотрим простейшую однофазную цепь синусоидального переменного тока — обыкновенный настольный светильник с лампочкой накаливания мощностью в 60 Вт, включенной в бытовую электросеть с напряжением 220 В и частотой 50 Гц.В схемной модели этого нехитрого устройства пренебрежем всеми сопротивлениями (активными и реактивными), кроме активного сопротивления самой лампы. Тогда схему замещения можно представить в виде контура из идеального источника переменного напряжения (модель розетки) и резистора (модель лампы). При анализе поведения цепи сопротивление нити накала будем считать постоянным. Соберем цепь, как на рисунке 3.14..

Рис.3.14..

Перейдем к редактированию свойств компонентов в соответствии с конкретной задачей.

Откроем двойным щелчком ЛКМ по УГО источника напряжения панель редактирования его свойств (рис. 2). Если по умолчанию в ней выставлены требующиеся нам значения Voltage (напряжение) 220 В, Frequency (частота) 50 Гц, Phase (фаза) 0 Degrees (градусов), то подтвердим эти значения нажатием на ОК. Если же значения не соответствуют требуемым, а подобное может быть при работе в УГО ANSI, то производим необходимую замену.

Рис. 3.15..

Далее заменяем у переключателя наименование управляющей клавиши Key со [Space] на [К] и открываем панель свойств лампы (рис. 3).

Рис. 3..16

Позиция РМАХ представляет собой амплитуду активной мощности, выделяемой на лампе, которая равна произведению амплитуды напряжения на амплитуду тока. Как известно, амплитудные значения синусоидально изменяющихся величин в [квадратный корень из 2] раз больше действующих значений. Заданная номинальная мощность 60 Вт равна произведению действующих значений, поэтому она в 2 раза меньше той, которую надо принять в программе в качестве РМАХ. Следовательно, в позицию РМАХ надо внести число 120. В позиции VMAX надо набрать амплитуду переменного напряжения. Поскольку действующее значение напряжения составляет в нашем случае 220 В, то умножив его на [квадратный корень из 2] , получим 310 В. Именно это значение и надо внести в окошко VMAX. Приборы по умолчанию установлены на измерение постоянного тока и напряжения. Поэтому, прежде чем проводить измерения, надо переключить род их работы (Mode) с DC (Direct Current — постоянный ток) на AC (Alternate Current — переменный ток), как это показано на рис. 4, 5. При необходимости в этих окнах можно поменять и внутренние сопротивления приборов, но в данном случае этого не требуется.

Рис. 3..15.

Рис.3.16.

Работу полученной схемной модели можно проверить, включив моделирование клавишей О/I и переведя переключатель [К] в положение «включено», при этом лампочка на экране станет мигать черным (рис. 6). Показания, снимаемые с приборов дают: напряжение на лампе — 220 В, ток — 274,9 мА. Оба прибора измеряют действующие значения, перемножив которые получим исходные 60 Вт, а поделив, найдем, что сопротивление горящей лампы равно 800 Ом.

Рис.3.17.

Н емного усложним задачу, чтобы увидеть отличие цепей переменного тока от цепей постоянного. Предположим, что у нас есть подобная лампа мощностью 60 Вт, но ее номинальное напряжение равно 127 В. Для того, чтобы использовать ее в сети 220 В, последовательно с лампочкой включаем бумажный или металлопленочный (не оксидный!) конденсатор на рабочее напряжение 400 В. Элементарный расчет показывает, что активное сопротивление данной лампочки составляет примерно 270 Ом. Это позволяет найти необходимое дополнительное реактивное емкостное сопротивление и по нему вычислить значение емкости конденсатора 8 мкФ. Вообще же можно и не делать этих численных оценок, а подобрать необходимую емкость в виртуальных опытах, переустанавливая ее номинал и наблюдая за показаниями вольтметра. Правда при избыточно большой емкости лампа будет «перегорать», но это не смертельно, т. к. заменять ее не требуется .

Отредактируем схему на рис. 3.17, изменив в ней номинальное напряжение лампы на 127*[квадратный корень из 2] = 180 В. Кроме того, включим последовательно с лампой конденсатор С = 8 мкФ и параллельно ему еще один вольтметр, изменив вращением расположение его выводов и переустановив режим его работы на АС (см. рис. 7).

Рис. 3.18.

В результате моделирования этой цепи видим, что лампа будет гореть с небольшим недокалом. При реальном эксперименте можно использовать два параллельно включенных конденсатора емкостью в 4 мкФ, но их номиналы имеют, как правило, разброс ±20 %, поэтому на практике лампа может гореть как с большим недокалом, так и с перекалом. Эти случаи нетрудно просмотреть на данной модели, изменяя емкость конденсатора. Кроме того, в схеме на рис. 1 можно дополнительно посмотреть поведение применяемых сейчас отечественных ламп накаливания с заданным интервалом рабочих напряжений 235...245 В.

Из показаний вольтметров на рис.3.18 видно, что арифметическая сумма их значений (не имеющая здесь никакого физического смысла) значительно превосходит величину питающего напряжения. В тоже время их геометрическая сумма, т. е. корень квадратный из суммы их квадратов, в точности ему соответствует. Это связано с тем, что в цепях переменного тока в игру вступают фазовые соотношения.

На практике для более детального исследования поведения цепей переменного тока используют осциллографы или осциллоскопы. Перенесем виртуальный осциллограф (Oscilloscope) из группы Instruments на рабочее поле.

Зададимся целью выявить форму напряжения на конденсаторе и лампе. Поскольку входы усилителей вертикальных разверток заземлены, то заземлим осциллограф и точку соединения лампы и конденсатора (в реальной цепи этого делать нельзя). После этого вывод канала А осциллоскопа соединим с конденсатором, а канала В — с лампой (рис. 3.19).

Рис. 3.19.

Дважды щелкнув ЛКМ на схемном изображении осциллоскопа, откроем его лицевую панель, на которой проведем необходимые установки режима работы (рис. 3.20).

Рис. 3.20.

Для удобного наблюдения картины на экране осциллоскопа выбираем длительность горизонтальной развертки (Time base) близкой к двум периодам колебаний — 5 мс на одно (большое) деление шкалы.

Чувствительность вертикальной развертки по каналам выбираем 200 В/дел, согласуя с величинами максимальных напряжений на компонентах.

Поскольку изображение черно-белое и никаких дополнительных меток нет, то для того, чтобы лучи А и В не сливались, раздвигаем их установкой положения по оси Y (Y position) вверх на 1,40 и вниз на -1,40 соответственно.

Делаем также установки Y/T, Auto и АС (рис. 3.20). Наконец, для наблюдения одного кадра, войдя в Analysis и далее Analysis Option и Instrument, устанавливаем Pause after each screen (пауза после каждого кадра) (что-то у меня этот пункт не получился...). Включаем моделирование. Из характера осциллограмм (рис. 3.20) видно, что между напряжениями на конденсаторе и лампе временной сдвиг составляет четверть периода, что соответствует фазовому сдвигу л/2.

Если же в цепь последовательно с лампой и конденсатором включить иной фазосмещающий элемент — индуктивность, то режим ее работы становится еще многообразнее, в том числе можно исследовать замечательное явление резонанса.