Дж. Кеоун - OrCAD PSpice. Анализ электрических цепей

1.11. Для схемы на рис. 1.48 найдите эквивалентную схему Тевенина относительно полюсов а и b .

Рис. 1.48

Spice показывает напряжения узлов на постоянном токе без всяких специальных команд, поскольку определение напряжений постоянного тока является необходимым для получения рабочих точек в транзисторных схемах и при решении других традиционных задач. Но если вы хотите провести анализ на переменном токе, необходимо специально задать это в условиях моделирования. Вводный пример показывает, как это делается.

Последовательная цепь на рис. 2.1 содержит источник напряжения в 1 В, включенный последовательно с резистором R и катушкой индуктивности L. Последовательная RL -цепочка может служить, например, схемой замещения для реального дросселя. Компоненты схемы характеризуются значениями R =1,5 Ом; L =5,3 мГн и f =60 Гц. Необходимо найти ток в цепи и полное сопротивление реального дросселя. Входной файл имеет вид:

AC Circuit with R and L in Series (Coil)

V 1 0 AC 1V

R 1 2 1.5

L 2 0 5.3mH

R3 2 0 5k

.AC LIN 1 60Hz 60Hz

.PRINT AC I(R) IR(R) II(R) IP(R)

.END

Рис. 2.1. Последовательная RL- цепь при питании от источника гармонического напряжения

Команда .AC в нашем случае обеспечивает линейную вариацию значений в диапазоне от 60 до 60 Гц, то есть одну точку. Команда .PRINT предусматривает печать значений различных величин в этой точке:

I(R) — амплитуда тока;

IM(R) — также амплитуда тока;

IR(R) — действительная часть тока;

II(R) — мнимая часть тока;

IP(R) — фазовый угол тока.

Если Вы хотите выразить подобным образом падение напряжения V 2на индуктивности, можно записать:

V(2) — амплитуда падения напряжения на индуктивности (между узлами 2 и 0 соответственно);

VM(2) — также амплитуда тока этого напряжения;

VR(2) — действительная часть напряжения;

VI(2) — мнимая часть напряжения;

VP(2) — фазовый угол напряжения.

Запустите моделирование на PSpice. Узловые напряжения в выходном файле показаны как нулевые. Это означает, что они не содержат постоянных составляющих. Токи источников напряжения и мощности также не содержат постоянных составляющих (и они равны 0). Интересующая нас часть результатов моделирования дает FREQ=60 Гц для частоты и I(R) =0,4002 А для амплитуды переменного тока источника питания. Действительная часть комплексного тока равна IR(R) =0,2403 А, мнимая его часть составляет II(R) =–0,3201 А, а фазовый угол равен IP(R) =–53,1°.

Задачи такого типа на переменном токе хорошо иллюстрируются векторными диаграммами (рис. 2.2). Опорное напряжение направлено под нулевым углом. Вектор тока смещен на вычисленный угол -53,1°. Можно найти также полное сопротивление реальной катушки, представленной RL -цепочкой:

Поскольку напряжение имеет единичное значение, полученная величина идентична обратному значению вектора тока I.

Рис. 2.2. Векторная диаграмма последовательной RL- цепи

Заменив в схеме на рис. 2.1 катушку индуктивности конденсатором С, получим следующую схему (рис. 2.3).

Значения компонентов в этой схеме: R= 5 Ом; С=100 мкФ и f =318 Гц.

Рис. 2.3. Схема с последовательной RC-цепочкой

Входной файл будет следующим:

AC Circuit with Resistance and Capacitance in Series

V 1 0 AC 1V

R 1 2 5

С 2 0 100uF

.AC LIN 1 318Hz 318Hz

.PRINT AC I(R) IP(R) V(2) VP(2)

.END

В команде .PRINT через V(2) и VP(2) обозначены модуль и фазовый угол напряжения на конденсаторе соответственно. Запустите моделирование на PSpice и постройте векторную диаграмму тока и напряжения. Ваш рисунок должен соответствовать рис. 2.4.

Рис. 2.4. Векторная диаграмма для последовательной RC -цепи

Рассмотрим теперь процессы в параллельной RL-цепи при питании ее от источника переменного тока (рис. 2.5).

Рис. 2.5. Схема с параллельной RL-цепью

Параметры компонентов: I =100∠0° мА; R =8,33333 Ом; L =6,36 мГн. Для этой цепи необходимо найти напряжение на параллельных ветвях, ток через каждую ветвь и полную проводимость цепи. Входной файл при этом имеет вид:

AC Circuit with Parallel branches R and L

I 0 1 AC 100

R 1 0 8.33333

L 1 0 6.36mH

.AC LIN 1 500Hz 500Hz

.PRINT AC V(1) VP(1) V(1) I(R) IP(R) I(L) IP(L)

.END

Модуль и фазовый угол напряжения представлены в выходном файле как V(I) и VP(1), а токи через отдельные ветви находятся как обычно. Запустив моделирование и получив результаты, убедитесь, что V(I)=0,7691 и VP(1)=22,64°. Проводимость RL-цепи равна Y =I/V(I)=(0,100∠0°)/(0,7691∠22,6°)=(0,13∠22,6°) С.

Постройте векторную диаграмму для схемы, показав все токи и напряжение V 1. Сверьте ваш результат с рис. 2.6.

Рис. 2.6. Векторная диаграмма для параллельной RL- цепи

В качестве упражнения по анализу цепей преобразуйте токи из синусоидальных в прямоугольные и сложите их. Сравните полученный результат с заданным ранее значением тока источника.

На рис. 2.7 приведена схема с параллельной RC- цепью. Значения элементов этой схемы: I =100∠0° мА; R= 8,33 Ом; С =14,14 мкФ и f =500 Гц.

Рис. 2.7. Схема с параллельной RC -цепью

Перед тем как провести моделирование на PSpice, рассчитайте полную проводимость RC- цепи. Она задается выражением Y = G+jB , где G = 1/ R и В =2π fC.