Дж. Кеоун - OrCAD PSpice. Анализ электрических цепей

Схема на рис. 1.35 будет использована для анализа по методу узловых потенциалов. В качестве упражнения запишите уравнения по этому методу и решите их с помощью какой-либо компьютерной программы или калькулятора. Записать стандартные уравнения и решить их полезно, но решать их каждый раз неэффективно.

Рис. 1.35. Схема с несколькими источниками тока для анализа методом узловых потенциалов

Решение с помощью PSpice достаточно просто и не содержит ничего нового. Входной файл имеет вид:

Nodal Analysis of Circuit with Several Current Sources

I1 1 0 20mA

I2 0 2 10mA

I3 0 3 15mA

R1 1 0 500

R2 1 2 500

R3 2 0 400

R4 2 3 500

R5 3 0 300

.OP

.ОРТ nopage

.END

Во входном файле достаточно информации, чтобы найти все узловые потенциалы. Запустим моделирование и проверим напряжения V(1)=7,694 В; V(2)=5,3947 В и V(3)=4,8355 В. Значение общей рассеиваемой мощности, приведенное в выходном файле, равно 0, что, очевидно, некорректно. Напомним, что это происходит, поскольку в схеме нет независимых источников напряжения.

Чтобы получить правильное значение, преобразуйте источники тока (рис. 1.35) в источники напряжения и создайте входной файл для получившейся схемы (рис. 1.36).

Рис. 1.36. Преобразование неидеальных источников тока в неидеальные источники напряжения

На этом, последнем, рисунке к узлам 1 , 2 и 3 подключены те же самые сопротивления, что и в предыдущей схеме, но появились три дополнительных узла, что привело к соответствующему изменению входного файла:

Nodal Analysis with Current Sources Converted to Voltage Sources

V1 1A 0 10V

V2 2A 0 4V

V3 3А 0 4.5V

R1 1A 1 500

R2 1 2 500

R3 2 2A 400

R4 2 3 500

R5 3 3А 300

.OP

.OPT nopage .END

После получения результатов моделирования убедитесь, что V(1) = 7,694 В, V(2) = 5,3947 В и V(3) = 4,8355 В, как и ранее. Для трех дополнительных узлов напряжения будут равны: V(1A) = 10 В; V(2A) = 4 В и V(3A) = 4,5 В, как указано во входном файле для идеальных источников напряжения. В дополнение к этому вы можете определить три тока источников. Например, ток через V 1равен –4,605 мА. Это означает, что положительный ток 4,605 мА вытекает из положительного полюса источника V 1. Проверьте, что остальные токи вычислены правильно. Поскольку все источники являются источниками напряжения, общая мощность вычислена верно и равна 27,1 мВт.

Если схемы непланарны, их нельзя изобразить в двухмерном пространстве без пересечения линий, соединяющих узлы. Такова схема на рис. 1.37, которая содержит источник напряжения и восемь резисторов, то есть всего девять элементов. Из используемых методов расчета метод контурных токов может быть использован только для планарных схем, однако метод узловых потенциалов может быть использован и для непланарных схем. PSpice является инструментом, наиболее часто применяемым для анализа схем с большим числом элементов. Для исследуемой схемы входной файл имеет вид:

Nonplanar Circuit Containing Nine Elements

V 1 0 9V

R1 1 2 1

R2 4 0 7

R3 3 0 5

R4 2 3 6

R5 5 3 4

R6 2 4 2

R7 1 5 8

R8 4 5 3

.DC V 9V 9V 9V

.PRINT DC V(1,2) V(2,3) V(2,4)

.PRINT DC V(4,5) V(5,3) V(1,5)

.OP

.OPT nopage

.END

Рис. 1.37. Непланарная схема

Во входном файле предусмотрено вычисление напряжений на отдельных элементах, которые желательно знать, чтобы определить токи в ветвях. С другой стороны, в команде .PRINT можно заложить распечатку токов через резисторы, например I(R 1 ). Отметим, что без введения команды .ОР узловые потенциалы не могут быть получены. Убедитесь, что V(1,2)=1,367 В; V(2,4)=1,685 В; V(1,5)=3,031 В. Проведите также численную проверку равенства V(1)=V(1,2)+V(2,3)+V(3).

В квадратные скобки […] заключаются необязательные компоненты, в угловые скобки <���…> — компоненты, которые необходимо ввести обязательно.

Е[имя] <+узел> <-узел> <[+управляющий узел> <-управляющий узел]> коэффициент усиления>

Например, запись

Е 2 3 1 0 5

обозначает источник напряжения, управляемый напряжением (ИНУН), включенный между узлами 2 и 3 ( 2 — плюсовой узел), зависящий от напряжения между узлами 1 и 0 . Напряжение Е равно 5 V 10.

F[имя] <+узел> <-узел> <���Имя управляющего прибора V> <���коэффициент усиления>

Например, запись

F 4 2 VA 50

обозначает источник тока, управляемый током (ИТУТ), включенный между узлами 4 и 2, с током, протекающим внутри источника от узла 4 к узлу 2. Ток зависит от тока через источник VA с коэффициентом усиления 50. Если необходимо, напряжение VA может быть выбрано нулевым.

G[имя] <+узел> <-узел> <+управляющий узел> <-управляющий узел> <���коэффициент усиления>

Например, запись

G 5 1 2 0 0.05

обозначает источник тока, управляемый напряжением (ИТУН), включенный между узлами 5 и 1 , зависящий от напряжения между узлами 2 и 0. Значение коэффициента усиления g m =0,05 С (коэффициент имеет размерность проводимости 1/Ом)

Н[имя] <+узел > <-узел> <���Имя управляющего прибора V> <���переходное сопротивление>

Например, запись

Н 6 4 VB 20

обозначает источник напряжения, управляемый током (ИНУТ), включенный между узлами 6 и 4 (6 — плюсовой узел), зависящий от тока, протекающего через источник напряжения VB, напряжение которого может быть выбрано при необходимости нулевым. Значение переходного сопротивления равно 20 Ом.

I[имя] <+узел> <-узел> [DC] <���значение>

Например, запись

I 0 1 DC 2А

обозначает независимый источник постоянного тока, направленного внутри источника от узла 0 к узлу 1. Значение тока равно 2 А.

R[имя] <+узел> <-узел> <���значение>

Например, запись

R1 1 2 100

обозначает резистор, включенный между узлами 1 и 2 с сопротивлением 100 Ом. Поскольку резистор двунаправленный, любой его узел можно назвать положительным или отрицательным. Если необходимо найти ток через резистор, обозначение узлов становится немаловажным. В данном примере условное направление тока через резистор принимается от узла 1 к узлу 2. При таком направлении реального тока он считается положительным, при противоположном — отрицательным. В выходном файле значение тока будет иметь соответствующий знак.