Дж. Кеоун - OrCAD PSpice. Анализ электрических цепей

Рис. 6.24. График напряжения на R2 в схеме на рис. 6.23

Прежде чем выйти из программы Probe, убедитесь, что токи и напряжения в момент t=2 с имеют следующие значения:

vc(2 с) = 5,2778 В;

vL(2 с) = –3,94 В;

ic(2 с) = –2,428 А;

iL(2 с) = –0,675 А.

Токи показаны на рис. 6.25.

Рис. 6.25. Графики токов в ветвях схемы на рис. 6.23

Цепи с источником тока

На рис. 6.26 показана схема с источником тока, обеспечивающим установившееся значение в ЗА при t<0. В момент t=0 ток становится равным 0. Прежде чем приступить к анализу на PSpice, определим начальные условия для L и С. До момента t=0 ток через R=3 А, в то время как ток через другую ветвь равен нулю, так как конденсатор С является разрывом для постоянного тока. Таким образом iL(0)=0. Падение напряжения на R равно 2×3 = 6 В, с полярностью, показанной на рис. 6.27. Поскольку при постоянном токе напряжение на L равно нулю, напряжение vc(0)=6 В. Приведенной информации достаточно, чтобы выполнить анализ на PSpice. Входной файл:

Initial Conditions from Current Source

R 1 0 2

L 1 2 3H

N 2 0 4000mF IC=6V

.TRAN 0.001ms 24s UIC

.PROBE

.END

Рис. 6.26. Схема с источником тока

Рис. 6.27. Схема замещения для момента t = 0

Выполните анализ и получите графики напряжений на резисторе и конденсаторе. Проверьте начальные условия для обоих напряжений. В качестве упражнения убедитесь, что для момента t1=4 с напряжения vc(t1)=4,2095 В и vR(t1)=4,5476 В. Можете ли вы сказать, каково будет напряжение vL(t1), не получая график напряжения vL?

Используйте второй закон Кирхгофа, чтобы найти это значение. Напряжения на резисторе и конденсаторе показаны на рис. 6.28. Теперь получите график iC(t). Заметьте, что этот ток растет от нулевого начального значения до значения тока в катушке. Убедитесь, что iC(4 с)=–2,2738 А. Этот ток протекает через каждый элемент против часовой стрелки. Убедитесь также, что максимальный (по модулю) ток imax=-2,313 достигается при t=3,48 с.

Рис. 6.28. Напряжения на элементах схемы на рис. 6.27 

Мостовые схемы с ненулевым начальным током

В схеме на рис. 6.29 ключ размыкается при t=0. Схема замещения до размыкания показана на рис. 6.30. В ней катушка индуктивности заменена коротким замыканием, при этом напряжения на R1 и R3 равны 6 В, что приводит к прохождению тока в 2 А через R1 и тока в 3 А через R3. Поскольку в ветви конденсатора ток отсутствует, ток в катушке индуктивности также должен быть равен 3 А. Так как напряжение V(1,3) равно нулю, то и vc равно нулю. Эта информация позволяет нам задать начальные условия для анализа на PSpice, приводя к следующему входному файлу:

Switch Opening in Bridge Circuit

R1 0 1 3

R2 1 2 1

R3 3 0 2

L 1 3 3H IС = 3A

N 2 3 2000mF

.TRAN 0.001ms 16s UIC

.PROBE

.END

Рис. 6.29. Схема с размыканием ключа в момент t = 0

Рис. 6.30. Схема замещения для момента размыкания ключа (t < 0) 

Проведите анализ и проверьте следующее: iC(0)=–2,5 A, iL(0)=3 А, iR3(0)=0,5 A, v12(0)=–2,5 В, v23(0)=0 и v13(0)=–2,5 В (здесь v12(0) означает v(1, 2) при t=0). Графики токов показаны на рис. 6.31, а графики напряжений — на рис. 6.32.

Рис. 6.31. Графики токов в схеме на рис. 6.29

Рис. 6.32. Графики напряжений в схеме на рис. 6.29 

В качестве упражнения определите iC при t=0, воспользовавшись вторым законом Кирхгофа для контура, содержащего R1, R2, R3 и С. 

Звенящий контур

Определим реакцию на прямоугольное входное напряжение цепи, представленной на рис. 6.33. Входное напряжение резко изменяется от 0 до 1 В, затем в момент t=2 мс уменьшается на 2 В, достигая значения -1 В, затем в момент времени t=4 мс снова резко изменяется до 1 В. Задача состоит в том. чтобы определить, насколько точно напряжение на RL воспроизводит входное прямоугольное напряжение. Входной файл:

Ringing Circuit

Vs 1 0 PWL(0s, 0V 0.01ms, 1V 2ms, 1V 2.01ms, -1V 4ms, -1V 4.01ms, 1V)

Rs 1 2 1

L 2 3 10mН

RL 3 0 333.3

N 3 0 0.1uF

.TRAM 0.0 5ms 6ms

.PROBE

.END

Рис. 6.33. Звенящий контур

График V(3), полученный в Probe, показан на рис. 6.34. Вы можете получить также график VS, чтобы увидеть разницу в этих двух графиках. Прежде чем выйти из Probe, удалите графики напряжений и получите графики для каждою из токов. Если вам интересно, получите также I(C). Графики токов должны дать вам лучшее понимание процессов в схеме. Проведите анализ снова, уменьшив на порядок емкость С, и сравните результаты.

Рис. 6.34. Графики выходного напряжения в звенящем контуре

Задачи 

6.1. Параметры элементов схемы, показанной на рис. 6.35: V=10 B, R1=R=1 кОм и от С=200 мкФ. Получите график vc(t) на интервале от момента размыкания ключа до момента достижения напряжением на конденсаторе нулевого значения. Проведите необходимый анализ на PSpice и получите в Probe график vc.

Рис. 6.35

6.2. Параметры элементов для схемы на рис. 6.36: V=10 В, R1=R=100 Ом и L=2 Гн. Получите график vL(t) на интервала от момента размыкания ключа до момента снижения напряжения на катушке индуктивности до нуля. Проведите анализ на PSpice и получите в Probe график vL.

Рис. 6.36

6.3. Параметры элементов для схемы с двумя различными накопителями энергии, показанной на рис. 6.37: V=20 В, R=100 Ом, L=20 мГн и С=2 мкФ. Получите временную зависимость тока после размыкания ключа. Поскольку значение R в этой схеме соответствует слабому затуханию, график должен содержать, по крайней море, один полный период колебаний.

Рис. 6.37 

6.4. а) Увеличьте значение R в задаче 6.3, чтобы создать критическое затухание, и получите графики токов и составляющих напряжений. Найдите максимальные положительные и отрицательные значения токов.

б) Задав значение R=250 Ом, повторите предыдущее задание а). Найдите максимальные положительные и отрицательные значения всех составляющих напряжений.

6.5. На высоких частотах необходимо учитывать емкость на выходе усилителя напряжения. На рис. 6.38 выходная емкость составляет С=1 нФ и R=10 кОм. При амплитуде приложенного напряжения в 1 В и tp=100 мкс выходное напряжение должно быть достаточно близкой копией входного импульса.

а) Используйте метод, описанный в разделе «Отклик на единичное воздействие в усилителях», чтобы определить характер выходного напряжения. Используйте Probe, чтобы выяснить, является ли выходной импульс напряжения на конденсаторе С достаточно близкой копией входного импульса.

б) Если вы хотите получить более точную копию входного напряжения, попробуйте изменить значение tp и выполнить анализ снова. Каковы значения tH для пунктов а) и б) задания?

Рис. 6.38

6.6. При обсуждении низкочастотной реакции усилителя в этой главе мы установили, что обычно желательно, чтобы спад напряжения в конце импульса не превышал 10%. Приближенная формула для определения спада:

где tL=1/(2πRC), а f — частота прямоугольного напряжения. Используйте методику, описанную в тексте, чтобы при воздействии прямоугольного напряжения с частотой 60 Гц найти следующее:

а) относительный спад выходного напряжения при R=1,59 Ом и С=10 мкФ;